開啟育種4.0時(shí)代

在中國科學(xué)院武漢植物園光谷園區(qū)，國家作物表型組學(xué)研究設(shè)施（簡稱“神農(nóng)設(shè)施”）已完成預(yù)研，實(shí)現(xiàn)人工智能可控的全生境模擬，在全球處于領(lǐng)先地位。2024年2月，“神農(nóng)設(shè)施”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正式啟動(dòng)。

“神農(nóng)設(shè)施”占地面積近67公頃，將成為我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域首個(gè)國之重器。湖北位于亞熱帶與溫帶氣候過渡地帶，適合國內(nèi)主要農(nóng)作物生長。武漢地處“長江經(jīng)濟(jì)帶”中部城市群，占據(jù)“九省通衢（qú）”的地理優(yōu)勢和生態(tài)優(yōu)勢，在農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)略和國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。

“神農(nóng)設(shè)施”由中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所牽頭，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)，以及中國科學(xué)院武漢植物園參與建設(shè)。

作為國際最大規(guī)模的頂級作物表型組學(xué)鑒定設(shè)施，“神農(nóng)設(shè)施”可針對不同作物的性狀和特征開展鑒定與分析，包括株型、產(chǎn)量、耐旱澇、耐寒熱、抗病蟲、耐鹽堿、養(yǎng)分利用、光合作用，以及品質(zhì)等。它能夠每年完成50萬～100萬株植物的基因型、主要表型特性和相關(guān)大數(shù)據(jù)的采集與解析，實(shí)現(xiàn)育種過程的設(shè)計(jì)性、預(yù)見性和可控性，提高育種效率1倍以上，成為育種技術(shù)迭代升級的利器。

種子被稱為農(nóng)業(yè)的“芯片”，種業(yè)是國家戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性核心產(chǎn)業(yè)。保障糧食安全、種業(yè)研究和創(chuàng)新，以及培育突破性重大品種非常重要。植物表型研究被公認(rèn)為世界第三次糧食產(chǎn)量跨越的科技前沿。

組建頂尖科研團(tuán)隊(duì)

植物表型是指植物群體和個(gè)體可以通過一定手段測定的結(jié)構(gòu)和功能特征等具體表現(xiàn)，比如西紅柿的大小和口感、玉米的糯性和甜度、棉花纖維的顏色、花的形狀顏色等都是表型?；颍▋?nèi)因）與環(huán)境（外因）共同決定了表型。

植物表型組學(xué)是研究植物的生長、表現(xiàn)和組成的科學(xué)，它的研究對象小至核苷酸序列細(xì)胞，大至組織、器官種屬群體的所有表型集合，并且可以進(jìn)一步整合到基因組學(xué)研究中。

聯(lián)合國糧農(nóng)組織公布的數(shù)據(jù)顯示，到2050年，全球人口可能達(dá)100億，糧食產(chǎn)量需要增加70%才能保障未來食物需求。在土地資源有限的前提下，不斷提高單位面積產(chǎn)量是保障糧食安全的唯一途徑。繼基因組之后，植物表型組學(xué)成為生命科學(xué)又一個(gè)戰(zhàn)略制高點(diǎn)和原始創(chuàng)新源，是面向世界種業(yè)科技前沿和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的主戰(zhàn)場。

近年來，我國在植物表型組學(xué)研究領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。

2013年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的國際農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園，建成了我國第一個(gè)全自動(dòng)高通量3D成像植物表型研究平臺。

2014年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)和華中科技大學(xué)聯(lián)合研制了一種全生育期高通量水稻表型測量平臺。

2017年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)建了國內(nèi)高校第一個(gè)作物表型組學(xué)交叉研究中心。

打造智能光照系統(tǒng)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院劉文教授率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，主導(dǎo)設(shè)計(jì)并建設(shè)的智能光照系統(tǒng)，是“神農(nóng)設(shè)施”的預(yù)研項(xiàng)目之一。

通過這套系統(tǒng)，他們完成了經(jīng)過人工干預(yù)太陽光條件下和人工補(bǔ)光條件下，水稻、小麥、玉米、大豆等主要作物生長探索實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)植物主要生理參數(shù)測試。該系統(tǒng)能夠分離植物萌芽、生長、開花、結(jié)果和育種所需的約10%的可見光，同時(shí)將剩余80%以上的光通過槽形發(fā)光器進(jìn)行反射，集中到一塊標(biāo)準(zhǔn)的太陽能電池板上，再產(chǎn)電。

由于植物的最佳生長都只需要吸收特定范圍的光譜，劉文及其團(tuán)隊(duì)的思路是測量出不同植物吸收的光譜，然后根據(jù)光譜數(shù)值設(shè)計(jì)光譜比，再利用獨(dú)特的薄膜技術(shù)分離太陽光譜，讓每種植物類群能夠精確吸收生長所需的光譜。他們提出并發(fā)展了一種能選擇性透過紅光和藍(lán)光的薄膜，它由多層高分子薄膜組成，通過調(diào)控每層薄膜的折射率和厚度，不同波長的光會在不同折射率的界面處干涉疊加，最終特定波長的光可以透過薄膜，其余部分光反射。

目前劉文研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了一個(gè)實(shí)際示范及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成人工選擇陽光條件下和普通光照條件下3種農(nóng)作物（黃瓜、竹葉菜、生菜）生長情況的對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，在光照充足的春季使用濾光膜可以幫助實(shí)現(xiàn)作物增收、改善作物品質(zhì)等。

愿“神農(nóng)設(shè)施”早日完工，為我們的種業(yè)崛起建功立業(yè)。