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        近日，許操研究員領導的中國科學院遺傳與發育生物學研究所智能育種攻關團隊，在國際頂級學術期刊Cell上發表了一篇題為《Engineering crop flower morphology facilitates robotization of cross-pollination and speed breeding》的研究論文。該研究通過深度融合生物技術和人工智能技術，首次提出了作物-機器人協同設計的理念，即“雙向奔赴”，利用基因編輯技術重新設計作物花型，快速精準地創制出適合機器人的結構型雄性不育系。基于深度學習和人工智能，他們成功開發了世界上首臺能夠自動巡航進行雜交授粉的智能育種機器人——GEAIR（結合基因編輯與AI的機器人），從而打破了雜交育種及制種過程中的瓶頸問題，顯著降低了成本、縮短了周期并提高了效率。這項工作開創了“BT筑基+AI賦能+機器人勞作”的智能育種模式，在革新生物育種范式和產生新的生產力方面展示了“AI for Science”的重大應用潛力。不久前，該團隊還在Cell發表了一篇題為“Engineering source–sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice”的相關研究成果。

雜種優勢的利用對于提高作物單產和保障糧食安全至關重要。2024年，全球雜交種子市場的規模達到了3830億元，并預計到2029年將增長至5904億元；同年，全球番茄雜交種市值為85.4億元，預計到2030年將達到150.5億元。然而，高昂的成本和低效的雜交育種及制種過程成為限制雜種優勢利用的主要障礙。以番茄為例，由于其花朵結構閉合，全球范圍內的雜交育種和制種仍完全依賴人工完成雜交授粉，人力成本占總育種成本的25%以上，其中僅人工去雄一項就占據了雜交授粉成本的40%。隨著人口老齡化，這些成本正逐年上升。此外，一些花型閉合的作物因雜交制種成本過高而無法有效利用雜種優勢，如大豆有30%以上的增產潛力但由于花型高度閉合難以進行雜交授粉。

許操研究員帶領的團隊采用了一種新穎的方法，通過基因編輯針對番茄花器官ABC模型中調控雄蕊發育的特定MADS-box基因GLO2，使原本閉合的雄蕊裂開且花粉敗育，柱頭自然外露，成功創建了不影響果實產量和種子質量的結構型雄性不育系，解決了番茄育種中長期缺乏柱頭外露型雄性不育系的問題。
 

在與中國科學院自動化所楊明浩副研究員的合作下，團隊還研發了智能授粉機器人，實現了溫室環境下的穩定運行，柱頭識別準確率達到85.1%，每個花朵的授粉時間只需15秒，單次巡航授粉成功率達到了77.6% ± 9.4%。機器人可以全天候不間斷地工作，確保每朵花都能成功授粉結果。“吉兒”機器人的國產化率已超過95%，整機成本具有很高的市場競爭力。
 

作物花型重塑與 AI 機器人協同設計實現智能自動化雜交育種

研究人員進一步將智能育種機器人與先前建立的從頭馴化和快速育種技術相結合，構建了智能育種工廠，使得近緣野生種的育種周期從原來的5年縮短到了1年，同時節省了大量的人工成本，釋放了作物野生近緣種在改善栽培品種抗逆性和口感方面的潛力，能夠高效培育出優質的新番茄種質。為了應對大豆雜交授粉成本過高的挑戰，團隊首次使用“吉兒”系統實現了結構型大豆雄性不育系的快速創制，有望大幅提高我國大豆單產，推動大豆雜交育種的發展。

上述結構型雄性不育系創制技術和智能育種機器人相關技術已申請國家專利和PCT國際專利，許操研究員及其團隊正在致力于將BT+AI融合應用于整個產業鏈，包括育種、生產、采收和追溯等環節，開發下一代智能育種技術和裝備。