作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2024/3/2 20:27:28
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激动人心!农业“国之重器”从蓝图走向现实

 

2月27日,在武汉东湖科学城核心区光谷科学岛的红泥地里,国家作物表型组学研究重大科技基础设施(即“神农设施”)项目启动建设。

“这是农业领域众多科学家从‘十二五’到‘十四五’努力推动,终于实现构想的激动人心的时刻,神农设施终于浮出水面,即将由蓝图变为现实。”该项目首席科学家、中国科学院院士杨维才说。

神农设施效果图。遗传发育所供图

打造育种“加速器”

种子是农业的芯片,是推动农业发展的核心动力。但我国大豆、玉米单产远低于先进水平,土豆、胡萝卜、西蓝花等蔬菜种子,尤其是高端品种严重依赖进口。

究其根源,我国种质资源选育依然存在技术瓶颈。

迄今,农业育种经历了驯化育种、杂交育种、分子标记辅助育种、分子设计育种四个时代。过去20多年,我国已完成超过70%重要作物基因组测序,为实现作物分子设计育种这一前沿技术奠定了基础。

但俗话说,橘生淮南则为橘,橘生淮北则为枳。作物的性状依赖于基因与环境的共同作用,基因、环境、表型之间的复杂关系,仍然是限制分子设计育种和提升育种效率的掣肘因素。

“作为(植物)最重要的性状,植物的表型研究过去长期以来没有什么进展,到本世纪初还处于非常原始的水平,单靠眼睛看,最多拿尺子量一量、天平称一称,这就是全部的手段。”中国科学院院士、华中农业大学教授张启发说。

张启发表示,21世纪初产生了表型组学的概念,使得植物的性状可以用组学的概念进行描述。经过十多年的努力,我国已经在武汉建立了整套的作物表型组学技术平台,在水稻、油菜、玉米等作物中已经成功应用,对生命科学研究起到巨大的推动作用。

如何在此基础上全面突破种质资源卡脖子难题,打赢种业翻身仗?

先进的“作战装备”极为关键。“我国虽然在表型组学方面早有设想,但由于设施和装备有限,难以实现多维数据的采集和整合。”杨维才说,建设规模化、高通量、高精准度、开放共享的作物表型研究设施势在必行。

伴随本世纪以来系统生物学、计算生物学等新兴学科的迅猛发展,中国科学院遗传与发育生物学研究所(以下简称遗传发育所)作为农业生物领域的国家战略科技力量,联合农业领域的诸多科学家,以农业可持续发展重大科技问题为目标,提出了建设农业领域高通量基因型-表型鉴定重大基础设施的构想。

神农设施由此应运而生。“中国是农业大国,在神话传说中,五谷是神农氏发现和驯化的。以‘神农’命名大科学装置,寄托了科学家对其在突破作物育种关键核心技术中的期待。”杨维才说。

据介绍,神农设施作为国家重大科技基础设施,可针对不同作物的株形、产量、抗旱、抗寒、抗虫、耐盐分、养分利用、光合作用等重要性状和特征开展鉴定与分析,具备主要粮食作物和经济作物基因型与表型相关大数据的采集与解析能力,可支撑分子设计育种技术进步,将成为作物高效品种选育的“加速器”。

“神农设施可以精准解析基因型-表型的关联,把作物的表型和数以万计的基因一一对应起来,通过数字智能育种实现精准遗传操纵,让育种时间缩短一半。”杨维才表示,传统育种通常7~8年培育一粒种子,而通过神农设施育种则仅需3~4年。

神农设施周边环境。杨俊革/遗传发育所摄  

神农设施将从光谷科学岛这片红泥地里拔地而起。杨俊革/遗传发育所摄

大数据“导航”实现“智能”育种

据介绍,神农设施包括5大系统,分别为表型数据采集系统、环境模拟系统、多维组学分析系统、智能大数据解析系统、基因操作系统。其中环境模拟系统依据作物生长的重要环境因子,设立光、温、水、土、病、虫等6个独立环境模拟子系统。

“神农设施将是全球最大的基因型、表型深度解析研究中心,通过对作物在可控环境条件下的标准种养和实时、精准、可重复的数据采集,应用大数据分析快速建立作物基因型与表型的关联性,从而使得分子育种成为可能,推动生命科学和现代农业的跨越发展。”中国科学院院士李家洋说。

在科学目标上,神农设施将综合利用现代组学技术和基因操作技术,研发环境模拟与智能监控技术、高分辨成像技术、自动化信息采集与分析技术等,解析重要作物(主要农作物、药用植物、经济植物等)基因型与表型的复杂关系,建立植物表型决定的现代遗传理论体系,实现优良作物等新品种的分子设计与高效选育。

在工程目标上,该设施将打造集作物标准化种植、人工环境精准模拟、高通量多维表型数据采集、智能模式识别、多维组(基因组、蛋白组、表观组、代谢组等分析、大数据管理和物联网等最新技术在内的一体化研究平台。

项目总工程师陈凡表示,神农设施可以智能地识别品种间的遗传差异、基因位点编辑的准确性,并用智能大数据系统实现高通量解析,将作物表型和基因型深度关联,就像“北斗卫星导航系统,可以在大量基因数据中为育种路径提供快速导航,采用“AI+BT+DT”(人工智能+生物技术+大数据技术)实现种子的精准设计和智造”。

他举例说,农业的区域性非常明显,海拔、经纬度等不同,作物生长状态也不同。神农设施的6个独立环境模拟子系统能在智能可控环境条件下,利用全自动化物联系统,实现多种类、高通量作物精准种养、全生育期多维度表型采集和解析,从而实现“量体裁衣”,使种子智能适应当地的种养条件,获得高产优质粮食的同时,满足人们对未来健康食品的特定需求。

据介绍,神农设施将以自主研发为主,装备自主化率达到90%以上,并应用我国在作物复杂性状解析、人工智能图像识别、生物大数据育种等方面的集成创新优势,促进高新技术在农业和生命科学领域的深度应用和交叉融合。

“我们将把装备的研发和科学问题的解决结合在一起,实现科学与工程方面的交叉创新,为‘人工智能’育种5.0时代提供重要的科技支撑。”陈凡说。

2月27日,神农设施启动建设,现场挖掘机待“破土”。杨俊革/遗传发育所摄

以大科学工程催生“创新裂变”

据介绍,作为“国之重器”,神农设施规划占地近800亩,其落地湖北是出于自然地理条件和人才基础等多方面的考量。

湖北位于亚热带与温带气候过渡地带,有利于我国大多数作物生长,降低环境能耗能成本。武汉市地处长江经济带中部都市群,占据“九省通衢”地理优势,具有重要的国家农业科技战略地位,该市也是我国重要的科教基地,可以为大科学设施建设提供智力支撑。

“神农设施将填补我国农业领域重大设施的空白,促进现代农业转型升级,提升我国生命科学研究水平和国际竞争力。”项目总指挥、遗传发育所党委书记兼副所长邢雪荣对《中国科学报》说,“我们也希望通过这一大科学工程建设推动区域科技创新中心建设,促进创新链、产业链、人才链深度融合,催生创新裂变,引领长江经济带生物育种产业的发展。”

杨维才表示,作为具有自主知识产权的高度智能化、自动化的大科学设施,可以预见,未来神农设施建设过程中将面临诸多困难与挑战。他希望在先贤神农“心怀苍生、敢为人先”的精神鼓舞下,集聚科学、技术、工程、管理专家的智慧,攻坚克难、协同创新,为我国育种核心技术变革激活原动力。

 
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