農業“國之重器”農業“國之重器”

2月27日，在武漢東湖科學城核心區光谷科學島的紅泥地里，國家作物表型組學研究重大科技基礎設施（即“神農設施”）項目啟動建設。

“這是農業領域眾多科學家從‘十二五’到‘十四五’努力推動，終于實現構想的激動人心的時刻，神農設施終于浮出水面，即將由藍圖變為現實。”該項目首席科學家、中國科學院院士楊維才說。

打造育種“加速器”

種子是農業的芯片，是推動農業發展的核心動力。但我國大豆、玉米單產遠低于先進水平，土豆、胡蘿卜、西藍花等蔬菜種子，尤其是高端品種嚴重依賴進口。

究其根源，我國種質資源選育依然存在技術瓶頸。

迄今，農業育種經歷了馴化育種、雜交育種、分子標記輔助育種、分子設計育種四個時代。過去20多年，我國已完成超過70%重要作物基因組測序，為實現作物分子設計育種這一前沿技術奠定了基礎。

但俗話說，橘生淮南則為橘，橘生淮北則為枳。作物的性狀依賴于基因與環境的共同作用，基因、環境、表型之間的復雜關系，仍然是限制分子設計育種和提升育種效率的掣肘因素。

“作為（植物）最重要的性狀，植物的表型研究過去長期以來沒有什么進展，到本世紀初還處于非常原始的水平，單靠眼睛看，最多拿尺子量一量、天平稱一稱，這就是全部的手段。”中國科學院院士、華中農業大學教授張啟發說。

張啟發表示，21世紀初產生了表型組學的概念，使得植物的性狀可以用組學的概念進行描述。經過十多年的努力，我國已經在武漢建立了整套的作物表型組學技術平臺，在水稻、油菜、玉米等作物中已經成功應用，對生命科學研究起到巨大的推動作用。

如何在此基礎上全面突破種質資源“卡脖子”難題，打贏種業翻身仗？

先進的“作戰裝備”極為關鍵。“我國雖然在表型組學方面早有設想，但由于設施和裝備有限，難以實現多維數據的采集和整合。”楊維才說，建設規模化、高通量、高精準度、開放共享的作物表型研究設施勢在必行。

伴隨本世紀以來系統生物學、計算生物學等新興學科的迅猛發展，中國科學院遺傳與發育生物學研究所（以下簡稱“遺傳發育所”）作為農業生物領域的國家戰略科技力量，聯合農業領域的諸多科學家，以農業可持續發展重大科技問題為目標，提出了建設農業領域高通量基因型—表型鑒定重大基礎設施的構想。

神農設施由此應運而生。“中國是農業大國，在神話傳說中，五谷是神農氏發現和馴化的。以‘神農’命名大科學裝置，寄托了科學家對其在突破作物育種關鍵核心技術中的期待。”楊維才說。

據介紹，神農設施作為國家重大科技基礎設施，可針對不同作物的株形、產量、抗旱、抗寒、抗蟲、耐鹽分、養分利用、光合作用等重要性狀和特征開展鑒定與分析，具備主要糧食作物和經濟作物基因型與表型相關大數據的采集與解析能力，可支撐分子設計育種技術進步，將成為作物高效品種選育的“加速器”。

“神農設施可以精準解析基因型—表型的關聯，把作物的表型和數以萬計的基因一一對應起來，通過數字智能育種實現精準遺傳操縱，讓育種時間縮短一半。”楊維才說，傳統育種通常7～8年培育一粒種子，而通過神農設施育種則僅需3～4年。

大數據“導航”實現“智能”育種

“神農設施將是全球最大的基因型、表型深度解析研究中心，通過對作物在可控環境條件下的標準種養和實時、精準、可重復的數據采集，應用大數據分析快速建立作物基因型與表型的關聯性，從而使得分子育種成為可能，推動生命科學和現代農業的跨越發展。”中國科學院院士李家洋說。

在科學目標上，神農設施將綜合利用現代組學技術和基因操作技術，研發環境模擬與智能監控技術、高分辨成像技術、自動化信息采集與分析技術等，解析重要作物（主要農作物、藥用植物、經濟植物等）基因型與表型的復雜關系，建立植物表型決定的現代遺傳理論體系，實現優良作物等新品種的分子設計與高效選育。

在工程目標上，該設施將打造集作物標準化種植、人工環境精準模擬、高通量多維表型數據采集、智能模式識別、多維組（基因組、蛋白組、表觀組、代謝組等）分析、大數據管理和物聯網等最新技術在內的一體化研究平臺。

作為（植物）最重要的性狀，植物的表型研究過去長期以來沒有什么進展，到本世紀初還處于非常原始的水平，單靠眼睛看，最多拿尺子量一量、天平稱一稱，這就是全部的手段。

項目總工程師陳凡表示，神農設施可以智能地識別品種間的遺傳差異、基因位點編輯的準確性，并用智能大數據系統實現高通量解析，將作物表型和基因型深度關聯，就像“北斗衛星導航系統，可以在大量基因數據中為育種路徑提供快速導航，采用‘AI+BT+DT’（人工智能+生物技術+大數據技術）實現種子的精準設計和智造”。

他舉例說，農業的區域性非常明顯，海拔、經緯度等不同，作物生長狀態也不同。神農設施的6個獨立環境模擬子系統能在智能可控環境條件下，利用全自動化物聯系統，實現多種類、高通量作物精準種養、全生育期多維度表型采集和解析，從而實現“量體裁衣”，使種子智能適應當地的種養條件，獲得高產優質糧食的同時，滿足人們對未來健康食品的特定需求。

據介紹，神農設施將以自主研發為主，裝備自主化率達到90%以上，并應用我國在作物復雜性狀解析、人工智能圖像識別、生物大數據育種等方面的集成創新優勢，促進高新技術在農業和生命科學領域的深度應用和交叉融合。

“我們將把裝備的研發和科學問題的解決結合在一起，實現科學與工程方面的交叉創新，為‘人工智能’育種5.0時代提供重要的科技支撐。”陳凡說。

以大科學工程催生“創新裂變”

據介紹，作為“國之重器”，神農設施規劃占地近800畝，其落地湖北是出于自然地理條件和人才基礎等多方面的考量。

湖北位于亞熱帶與溫帶氣候過渡地帶，有利于我國大多數作物生長，降低環境能耗成本。武漢市地處長江經濟帶中部都市群，占據“九省通衢”地理優勢，具有重要的國家農業科技戰略地位，該市也是我國重要的科教基地，可以為大科學設施建設提供智力支撐。

“神農設施將填補我國農業領域重大設施的空白，促進現代農業轉型升級，提升我國生命科學研究水平和國際競爭力。”項目總指揮、遺傳發育所黨委書記兼副所長邢雪榮對《中國科學報》說，“我們也希望通過這一大科學工程建設推動區域科技創新中心建設，促進創新鏈、產業鏈、人才鏈深度融合，催生創新裂變，引領長江經濟帶生物育種產業的發展。”

楊維才表示，作為具有自主知識產權的高度智能化、自動化的大科學設施，可以預見，未來神農設施建設過程中將面臨諸多困難與挑戰。他希望在先賢神農“心懷蒼生、敢為人先”的精神鼓舞下，集聚科學、技術、工程、管理專家的智慧，攻堅克難、協同創新，為我國育種核心技術變革激活原動力。

◎ 來源| 科學網