2025年8月11日深夜，国际顶尖学术期刊《细胞》（Cell）的在线版面被一篇来自中国的论文点亮。这篇由中科院遗传与发育生物学研究所许操团队领衔的研究，以”生物技术+人工智能”深度融合为核心，向全球宣告了世界首台智能育种机器人”吉儿”（GEAIR）的诞生。从实验室到农田，从基因剪刀到智能机械臂，这场跨越生物科学与人工智能的技术突围，正为中国乃至全球的粮食安全写下新的注脚。
传统育种的”世纪之痛”：效率之困与产量之殇
在农业生产中，杂交育种被视为提升作物单产的”黄金钥匙”。自上世纪孟德尔遗传定律被重新发现以来，人类通过杂交育种将水稻、小麦等主粮作物的单产提升了数倍，但这一过程始终伴随着难以突破的瓶颈——传统杂交育种高度依赖人工操作：科研人员需逐株观察作物花期，手动去除雄蕊以实现异花授粉，单株操作耗时长达15-20分钟；受限于作物花期的短暂性（如大豆花期仅3-5天）和天气的不确定性（降雨、高温会直接导致授粉失败），一个新品种的选育往往需要8-10年，周期长、成本高、效率低。
以大豆为例，作为全球最重要的油料和蛋白作物，中国每年进口大豆超1亿吨，占全球贸易量的60%以上。尽管国内科研团队已在高产大豆育种上取得进展，但受限于传统育种技术的效率，优质高产大豆的推广速度始终难以满足需求。”如果我们能在3年内培育出一个突破性大豆品种，传统方法可能需要8年。”许操团队核心成员、中科院遗传发育所副研究员李阳坦言，”时间差背后，是粮食安全的隐忧。”
更关键的是，许多作物（如大豆、油菜）存在”自交不亲和”或”雄性不育”特性，天然阻碍杂交进程。尽管科学家早已通过化学诱变或辐射育种获得雄性不育系，但这类材料往往性状不稳定，且育成周期长达10年以上。如何快速、精准地创制”机器人友好”的雄性不育系？如何让杂交授粉摆脱对人工的依赖？这两个问题，成为横亘在全球育种领域的两座大山。
BT+AI的”双向奔赴”：从基因剪刀到智能机器人的技术突围
面对这一世纪难题，许操团队给出了”中国方案”——将生物技术（BT）与人工智能（AI）深度融合，构建”BT筑基+AI赋能+机器人劳作”的智能育种（BAR）新模式。
第一步：用基因编辑”重塑”作物花型，打造”机器人友好”的不育系
传统雄性不育系的创制如同”大海捞针”，而许操团队借助CRISPR-Cas9等精准基因编辑技术，直接对作物花器官发育相关基因进行编辑，重新设计花型结构。以大豆为例，团队通过编辑控制花瓣形态、雄蕊长度和柱头外露程度的关键基因，成功创制出一种”半开放型”雄性不育系：其花瓣微微张开，雄蕊短小且无法接触柱头，而柱头则完全外露——这种结构既阻断了自花授粉，又为机器人授粉提供了清晰的”操作窗口”。
“这相当于给作物’改造’了一个专属的’授粉接口’。”李阳解释道，”过去雄性不育系的雄蕊可能完全包裹柱头，机器人根本无法精准操作；现在我们通过基因编辑让雄蕊’缩’到花瓣内部，柱头则像’小旗子’一样竖起来，机器人的机械臂能轻松识别并完成授粉。”
第二步：用AI破解”授粉三难”，让机器人拥有”智慧双眼”与”灵巧双手”
如果说基因编辑解决了”能不能”的问题，那么AI技术则回答了”如何高效”的挑战。杂交授粉机器人的研发中，团队面临三大技术壁垒：如何从密集的花丛中精准识别目标花朵？如何在触碰花瓣时不损伤娇嫩的柱头？如何在复杂环境下（如风、光干扰）保持稳定的操作力度？
针对这些难题，团队联合中科院自动化所、清华大学等单位的AI专家，开发了一套”多模态感知-决策-执行”系统。机器人的”眼睛”由高分辨率摄像头和多光谱传感器组成，能在0.1秒内扫描整株作物，通过深度学习模型识别处于最佳授粉期的花朵（柱头颜色、花瓣张开角度等特征）；”大脑”则基于强化学习算法，实时计算机械臂的最优路径，避开叶片、茎秆等障碍物；”双手”采用柔性仿生夹爪，压力传感器可将接触力控制在0.05-0.1牛（约等于一片羽毛的重量），确保既完成去雄操作，又不损伤柱头。
“我们做过对比实验：人工授粉的成功率约为30%-50%，传统机械授粉因精度不足成功率不足20%，而’吉儿’机器人的单次巡航授粉成功率高达77.6%±9.4%。”许操透露，更关键的是，机器人可24小时不间断工作，不受天气、光照和疲劳影响，”过去一个工人一天最多处理500株大豆，’吉儿’一小时就能完成2000株，效率提升20倍以上。”
第三步：从实验室到农田，打造”智能机器人育种工厂”
技术的最终价值在于落地。依托”吉儿”机器人，团队联合上海交通大学、中国农业科学院等科研机构，在东北黑土地建立了全球首个”智能机器人育种工厂”。在这里，从基因编辑苗的移栽、生长监测，到开花期的机器人授粉、果实收集，再到后代的表型数据采集与AI分析，全流程实现了智能化闭环。
以大豆为例，团队利用该工厂已在6个月内完成3个品系的杂交育种，而传统方法需要2-3年。”更重要的是，我们可以同时处理成千上万个株系，快速筛选出高产、抗逆、高蛋白的优良品种。”李阳说，”这相当于把育种从’经验驱动’变成了’数据驱动’——AI能分析每株作物的生长数据、环境数据和表型数据，预测哪些株系更可能成为突破性品种，大幅提升育种效率。”
从”跟跑”到”领跑”：中国育种技术的范式革命
“这是BT+AI交叉融合解决重大科技问题的典范。”《细胞》杂志的审稿人在评价该成果时表示，”智能育种机器人的诞生，不仅突破了杂交育种的技术瓶颈，更开创了’人工智能驱动科学研究’（AI for Science）在农业领域的新范式。”
事实上，这并非许操团队的首次突破。早在2年前，他们就研发出”环境智能型高产-稳产作物育种新策略”，通过解析作物对光温等环境因子的响应机制，实现了”按需育种”——想让作物在干旱地区高产，就筛选耐旱基因；想在盐碱地种植，就强化耐盐性状。如今，”智能机器人育种工厂”的落地，标志着中国育种技术正式从”经验育种2.0″、”分子标记辅助育种3.0″、”基因组选择育种4.0″，跨越式发展到”智能机器人育种5.0″时代。
在商业化应用方面，团队已完成结构型雄性不育系创制技术和智能育种机器人相关技术的专利布局，申请国内发明专利12项、PCT国际专利5项，形成了完整的专利池。目前，”吉儿”机器人已在黑龙江、山东等地的农业合作社开展试点，预计明年将在东北大豆主产区推广。”保守估计，使用该技术的大豆品种单产可提升15%-20%，这对保障国家粮食安全意义重大。”许操说。
未来已来：当”吉儿”走向全球，中国农业的”智能时代”
对于”吉儿”机器人的未来，团队已有清晰规划：2.0版本将集成更多智能模块，如基于卫星遥感的农田环境感知系统，实现”天空-地面”一体化监测；3.0版本则计划拓展至玉米、水稻、油菜等多种作物，甚至根据不同国家的农业需求定制化开发。
“我们的目标不仅是解决中国的问题，更要为全球粮食安全提供’中国方案’。”许操表示，非洲、东南亚等地区同样面临育种效率低下的问题，”智能机器人育种工厂”可快速适应当地气候和作物品种，帮助这些地区实现种业自主。
从”一把尺子一杆秤”的传统育种，到”基因编辑+AI机器人”的智能育种，中国在生物育种领域的每一次突破，都是科技自立自强的生动注脚。当”吉儿”机器人在大豆田里来回穿梭，当实验室的基因数据与农田的生长数据实时交互，我们看到的不仅是技术的进步，更是一个国家对”把饭碗牢牢端在自己手中”的坚定承诺。
这场发生在农田里的科技革命，才刚刚开始。
发表回复