他们给花朵“烫发”用机械人育种

　　2017年，许操回国到遗传发育所成立尝试室之初，曾跑遍郊区，听到农人埋怨：“工人难雇，成本越来越高。气候欠好，授粉的熊蜂都不出巢，还得人工补粉。年轻人谁情愿干这个？”。

　　现实上，找到柱头外露、雄性不育的性状，是育种学家求之不得的希望。一曲以来，国表里良多科学家都正在测验考试通过天然变异或大规模遗传诱变获得抱负花型，但这些方式难度大、周期长。即便获得了材料，也需经年累月的杂交才能将无效基因导入方针材料。

　　跟着许操的，能够看到此中一朵淡的花朵柱头外露，雄蕊低伏正在柱头的四周，而另一朵花则柱头内缩，被雄蕊紧紧包裹正在内部。

　　许操引见，野蛮人茄本来柱头外露，靠蜜蜂、蝴蝶等虫豸传粉，遗传多样性丰硕。人类正在驯化番茄的过程中，为了品种纯正，选择了柱头内缩、自花授粉的突变体。但这个“长处”却成为现代杂交育种的“”。

　　其时，课题组心里都乐开了花。谢跃带着刚入组的师弟张廷浩跑到温室看花：“快看我们的‘大熊猫’！”。

　　正在昌平的尝试和首农集团的现代化农业财产园，“吉儿”曾经实现使用，它慢慢穿行正在一行行番茄之间。其头部摄像头如鹰眼般扫过动物，插着粉刷的机械臂则精准探向小花，眨眼的功夫就能将花粉悄悄涂抹正在柱头上。

　　他把这个艰难的使命交给了“大”谢跃。这位来自云南的博士生一头扎进尝试室，给芝麻粒大小的种子“做手术”，进行基因编纂，科研大楼旁的温室里，一株番茄开花了：雄蕊“像烫过的卷发”般裂开，柱头光秃秃地探正在外面。这恰是育种家翘首以盼的“布局型雄性不育系”！

　　为破解难题，2021年秋天的一个晚上，谢跃和张廷浩连夜打包两盆开花的番茄，次日一大早便带着它们登上高铁，赴合肥寻求合做。初次合做虽未果，却果断了他们的：做物取机械人研制必需“双向奔赴”。

　　研究团队进一步将该策略使用于大豆，同样成功创制出柱头外露的雄性不育系，可节流76。2%人工授粉操做时间，为我国冲破大豆单产提拔瓶颈、率先实现大豆杂种劣势操纵，以及鞭策智能从动化杂交育种供给了全新科技方案。

　　后来，他们又取中国科学院从动化研究所副研究员杨明浩和研究员韩华、上海交通大学传授连文昭、大学传授陶建华等合做，用12800张图像锻炼人工智能（AI）模子，使机械人能识别复杂中仅毫米级的柱头。基于此，他们研发了智能育种机械人“吉儿”，其柱头识别精确率可达85。1%，每授粉一个花朵仅耗时15秒，能够全天候不间断进行频频巡航授粉以确保每朵花成功授粉坐果。

　　其实，许操晓得，谢跃和张廷浩两个小伙子其时到尝试室，是冲着“顶天”的课题——摸索未知前沿而来的。当他分享了本人关于科研该当“接地气”的见地后，两个小伙子被了，师徒三人分歧决定：“一鼓做气实现机械人杂交育种。”。

　　当研究团队把研究论文送达给《细胞》后，收到了4位审稿人的积极答复。此中一位审稿人必定地写道：“这项冲破冲动！5年前，我取同事曾假设这些手艺可能引领动物育种的逾越式提拔，现在看到展现，实正在令人兴奋。做者正在研究中将手艺使用于番茄，但其概念能够扩展到所有做物育种场景，由于杂交授粉是所有面对的次要瓶颈。”。

　　“大熊猫”里藏着环节冲破：研究团队并未敲除GLO2基因，而是精准编纂了它的非编码区，从而让雄蕊卷曲开裂，花粉败育，柱头天然外露。更令人欣喜的是，这一性状正在512个番茄品种中均能不变再现，且坐果率、种子质量不受影响。“这就像给头发烫卷，只改变制型，不影响头发发展。”许操比方道。

　　回忆走过的，许操说有人曾笑他们“瞎鼓捣”：“花就是花，还做什么机械人时代的花。”不外，一次学术演讲上，当许操展现了若干张颠末基因编纂后的大豆雄性不育花朵图片后，很多专业人士都听得很是兴奋。有位老专家说：“这是了不起的事，如果大豆杂交育种实能推广，能很大程度上处理中国大豆的单产提拔难题！”。

　　研究至此，许操他们曾经实现了育种家们数十年来逃逐的方针，相关能够颁发一篇国际专业顶刊论文，但许操决定按下不发：“故事才讲了一半——动物开了‘门’，还得靠‘机械人’来授粉。”。

　　咬开一颗汁水丰满的西红柿，你会看到果肉间一颗颗芝麻粒大小的黄绿色种子。但你可能不晓得，一粒高端番茄种子能卖到15~20元，一克种子约200~300粒，售价可达4000元，是黄金价钱的5倍。

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　　问题更严峻的是大豆。由于大豆花更小，雄蕊像贝壳一样完全闭合，没有丝毫裂缝，并且大豆植株较矮小，工人操做时得蹲着，用镊子一点点剥。“大豆杂交种减产潜力超30%，但由于人工育种成本太高，至今无法推广。”许操说。

　　农人们埋怨的问题成了许操的研究“课题”。从那时起，许操就果断地认为：“农业研究不克不及‘两脚不沾泥’——就像炒菜得有‘锅气’，农业研究也得有‘土头土脑’，要能处理实问题。”。

　　让机械人给花朵授粉需霸占三沉手艺壁垒：一是识别花朵、定位朝向；二是精度达到毫米级，定位更小的柱头；三是操做力度适宜，不克不及挫伤柱头、影响坐果。

　　若何打开“”？一起头，许操的设法是让机械人“撬锁”——识别花朵、去掉雄蕊、精准授粉。但试了半年，他们失败了。这件事就像给花朵脱手术，但取医学上的手术机械人仅正在一个处所进行微不雅操做分歧，大棚里的机械人需要不竭挪动，加之花朵小而复杂，机械臂很难操做。

　　“去雄时，工人要用手悄悄剥开花瓣，把雄蕊摘除，不克不及碰伤柱头、伤到胚胎。他们得弯着腰挨个给曲径只要1厘米的花去雄、授粉，有时眼睛都看花了。”许操说，要正在雄蕊未花粉前将其摘除，不然无法实现杂交。”？。

　　“科研中老是讲授相长，师生之间的同频共振、默契合做是研究得以成功推进的主要要素。对科研充满热爱、碰到坚苦和质疑能不懈的学生，对于导师来说也是最无力的‘强心剂’！”许操感伤地说。

　　思来想去，许操决定“反向破题”：让动物本人“开门”。“机械人时代的做物，就该无机器人时代的花型！长出雄性不育的花朵；然后机械人再跟进，完成授粉，大概能实现方针。”。

　　许操率领团队决定另辟门路，操纵基因编纂手艺这一新利器定制抱负性状。他们的设法源于动物遗传发育学范畴出名的“ABC模子”：动物花器官的发育由A、B、C共3类基因节制，此中B类基因节制雄蕊的发育。“若是可以或许精准调控B类基因，是不是就能给雄蕊变个形？”许操说。

　　这项手艺还有着更广漠的使用场景，将“吉儿”机械臂上的粉刷换成抓手，就能实现采摘。“将来，跟着手艺的前进，也许我们实的能正在太空中操纵机械人种植、办理和采摘蔬菜，为人类深空摸索供给食物保障。”许操瞻望说。

　　谢跃的回覆是，“各有各的兴奋点。根本研究可能刷新人类认知，使用研究则为人们供给更多适用性的工具，两者连系就能扬长避短。”？。

　　P&C 南京农大张艳丽/万永杰取南京大学刘江怀团队操纵新型基因编纂手艺鞭策羊基因编纂育种取得主要进展。

　　“这是一项冲动的冲破，基因编纂、人工智能和机械人手艺的连系，将引领动物育种的庞大飞跃。”《细胞》国际审稿人如是评价。

　　“你看看这两朵番茄花。”位于奥运村的遗传发育所办公室内，许操指着电脑屏幕上的番茄花形态图对《中国科学报》记者说。

　　也很少有人晓得，价钱“比黄金还贵”的番茄种子，有1/4的成本花正在了人工去雄、授粉等耗时耗力的杂交育种流程上，全球每年为此付出的劳动成本达20多亿元。而就全球杂交育种来说，这一高度反复性的流程花费近千亿元。若何让这一过程变得愈加智能、高效？这是全球科学家数十年来求解的问题。

　　8月11日，中国科学院遗传取发育生物学研究所（以下简称遗传发育所）研究员许操团队取合做者颁发正在《细胞》的一项研究，为这一花费千亿元的工做斥地一条新：他们用基因编纂给番茄等做物的花朵“换制型”，让花朵变得对授粉机械人愈加“敌对”。他们还研制出生避世界首台从动巡航授粉机械人“吉儿”（GEAIR）。这位脚踩履带的“机械人育种家”，把杂交育种从哈腰弓背的苦差事情成机械24小时连轴转的轻盈活儿。

　　因为柱头内缩的动物很难获得外来花粉，以至完全被雄蕊“锁正在闺房”，取外来花粉绝缘，农人想要育出杂交种，就得先“开锁”——拔去雄蕊后再授粉。这个过程需要熟练工人操做，效率低、成本高，是全球育种行业的“卡脖子”难题。以番茄为例，相关人工费用可占总育种成本的25%以上，仅人工去雄一项就占番茄杂交授粉成本的40%。