十月深秋,長江南北的農(nóng)田中,進入了秋收的最后階段,一層又一層秋風,把玉米、水稻、大豆吹得金黃一片。而遠在海南三亞,溫暖如春的海島上,也迎來了一年一度南下育種的人們。
海南是育種圣地,冬季溫暖的氣候,使需要世代選育的育種,在這里可以增加一代。所以,每年冬天,都有來自全國各地的育種人,帶著他們正在選育的種子,播種在三亞的農(nóng)田中,這一過程,被稱為“南繁加代”。
不過,與以往不同的是,如今的海南三亞,有一群年輕的育種人,他們沒有自己的農(nóng)田和種子,甚至也不是農(nóng)學專業(yè)出身。他們學習分子生物學或者現(xiàn)代信息技術,利用大數(shù)據(jù)、人工智能等,在數(shù)據(jù)之中,開辟自己的“田園”,在虛擬世界,育成“新的品種”。
“電腦上的育種人”
一臺電腦,就是陳守坤的“試驗田”。
陳守坤。受訪者供圖
幾年中,從打造自己的“大模型”開始,到搜集數(shù)據(jù)、進行配組、測試千萬種不同的組合,再到找到育種者需要的作物基因組合,同樣的工作,不知道重復了多少次。陳守坤也不記得,到底成功了多少種組合。
一粒種子的育成,從選擇父本和母本開始,然后進行一次又一次雜交,一代又一代種植和選擇。傳統(tǒng)時代的育種家們,需要六到八年的時間,才能選出一個新的品種。南繁加代的出現(xiàn),使得育種家們每年能多種一季,將這個時間縮短了三分之一到一半。
陳守坤原本也是眾多南繁加代育種大軍中的一員。每年秋冬,他都會帶著自己培育的種子,一路南下,在三亞的土地種植。第二年春天,北方開始播種的時候,三亞的種子正好成熟,他又帶著種子北上。周而復始,像候鳥一樣,追逐著氣候的變化而遷徙。
直到轉(zhuǎn)做分子設計育種,陳守坤“失去”了自己的農(nóng)田。
這是一種利用大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學習等各種新技術的育種新模式。育種者們建立數(shù)字化的育種模型,將育種材料的基因數(shù)據(jù)導入模型,尋找自己需要的組合,進行大量匹配,再輸入各種環(huán)境參數(shù),通過模型預測,就可以精準地組合成想要的品種。這個過程,通常在一周之內(nèi)就能得出結(jié)果,最快的情況下,只要一天。
整個分子設計育種的過程,完全在電腦上完成,幾乎徹底離開了農(nóng)田。
和陳守坤同在一個課題組的年輕學生們,有許多從來沒有下過地,甚至也沒有農(nóng)學背景。今年研二的郭曉冰和馮曉軒,兩個人都是學習統(tǒng)計學的,在南繁基地,他們每天的工作就是操作電腦,和各種各樣的數(shù)據(jù)打交道。這些數(shù)據(jù)來自過去到現(xiàn)在許許多多的育種家們,漫長的育種史中,積累了大量的數(shù)據(jù)。而隨著分子生物學的進步,基因組測序每天都會增加更多的作物基因數(shù)據(jù)。他們在龐大的數(shù)據(jù)中,挖掘一切有價值的基因,然后根據(jù)需要,配成不同的組合,再通過大模型,預測每一種組合的效果。
農(nóng)學生的數(shù)字莊園
考入中國農(nóng)科院南繁院之前,統(tǒng)計學專業(yè)的郭曉冰,幾乎對農(nóng)業(yè)完全不了解,也沒有想過,育種究竟該如何進行。馮曉軒同樣如此,他們考研的專業(yè),叫作“生物信息學”,聽起來和農(nóng)業(yè)、育種毫無關系。他們只知道,考上之后,未來三年的學習,都在海南三亞,一個四季都是夏天的地方。
中國農(nóng)科院南繁院研二學生郭曉冰。受訪者供圖
中國農(nóng)科院南繁院建于5年前,位于南繁育種的核心地帶,海南三亞崖州灣科技城。這里云集了中國最多的農(nóng)業(yè)科研機構(gòu),最多的育種科學家,還有最先進的育種設施。
對郭曉冰他們來說,這里也有最豐富的育種數(shù)據(jù)。課題組的師生們,都住在南繁院的宿舍里,每天早晨,迎著海風和朝陽,一路騎車到實驗室,坐在電腦前,開始一天的學習和工作。
風雨、氣溫、土壤、微生物、病菌、水分……大自然中的一切,變成一組組數(shù)據(jù),不斷交互作用,模擬出真實世界的農(nóng)田。
在這個看不見的虛擬世界中,一粒種子落入“土壤”,生根發(fā)芽,經(jīng)歷風雨,開花結(jié)果,重新長出新的種子。
當外界急劇變化的氣候、頻發(fā)的極端天氣和高發(fā)的病蟲害,不斷影響著人們的糧食時,這間實驗室的電腦中,也在不斷增加新的數(shù)據(jù)。
干旱高溫、極速降溫、病蟲害高發(fā)……農(nóng)民需要可以抵抗各種逆境的作物新品種,而傳統(tǒng)育種漫長的時間,很難完全應對快速變化的農(nóng)業(yè)環(huán)境。作為最尖端的育種方式,分子設計育種可以用最快的方式,進行不同目標的育種預測,通過龐大的作物基因數(shù)據(jù)庫以及各種環(huán)境數(shù)據(jù),一天到一周之內(nèi),就可以組合出相應的品種,并進行預測。
遍布攝像頭的農(nóng)田
“我們是把袁隆平院士這樣的育種家的工作,從田間搬到了電腦上?!敝袊r(nóng)科院南繁院分子設計育種課題組博士趙盈說。
中國農(nóng)科院南繁院博士趙盈。受訪者供圖
從許多年前開始,育種就不再只是農(nóng)業(yè)科學家的領域。中國農(nóng)科院副院長孫坦介紹,在國外,分子設計育種已經(jīng)發(fā)展多年,國際上知名的種業(yè)企業(yè),耗費數(shù)十億美元,打造自己的分子設計育種平臺,育成了大量新品種。我國分子育種起步較晚,但發(fā)展很快,尤其在技術應用上,已經(jīng)非常廣泛,不論是玉米、小麥、水稻等大田糧食作物,還是蔬菜水果,都在利用分子設計育種技術。
趙盈正在進行一項大豆育種的分子設計和預測,大豆是我國最大的油料和飼料作物,也是我國進口最多的作物,提升我國大豆的產(chǎn)量,是關系糧食安全的重要部分,“目前大豆育種最大的目標,首先是單產(chǎn)提升。我國耕地有限,很難通過大規(guī)模擴大面積的方式提高大豆產(chǎn)量,提高單產(chǎn)是唯一的途徑。同時,因為氣候變化等各種影響,未來的大豆生產(chǎn)面臨著重重威脅,亟須培育高產(chǎn)且抗逆的大豆品種?!?/p>
電腦上的設計和預測,在整個分子設計育種中,是最關鍵的部分,但并不是全部過程。在預測完成之后,還要在田間進行驗證,收集和觀察配組之后的各種表型數(shù)據(jù)。
中國農(nóng)科院南繁院表型大樓。受訪者供圖
在同一座大樓中,還有另外一個表型鑒定的課題組。所謂表型,即生物所有可被觀察和鑒定的特征,比如人的身高、血型,植物的株高、顏色等。在育種中,一些典型的表型,必須在作物真實的生長中觀察和收集。比如株高、節(jié)數(shù)、節(jié)間距等,這些特征直接關系著作物的生長能力、抗倒伏能力等。再如穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等,直接關系著產(chǎn)量。
在過去,像袁隆平這樣的育種家們,需要年復一年,長時間蹲在田里,用肉眼一株株觀察,用筆一個個記錄。而在現(xiàn)代智慧育種中,遍布田間的傳感器和攝像頭,代替了人的眼睛和手中的筆,進行表型鑒定的育種者們,同樣在辦公室里,用電腦或監(jiān)視器,觀察田間的情況,攝像頭會把各種作物的各種表型數(shù)據(jù),包括環(huán)境的變化搜集起來,傳輸?shù)胶蠓?,育種者們則通過電腦進行匯總、分析、處理。
在趙盈工作的大樓旁邊,就有一處我國目前最專業(yè)、技術含量最高的田間“高通量植物表型平臺”。這是一座5.7米高、21米寬的鋼架,橫跨在金色的稻田中,仿佛一個小型的“龍門吊”,稻田遍設軌道,鋼架搭載十多種監(jiān)測儀器,在田間自由移動,監(jiān)測植物從播種到收獲全周期的表型數(shù)據(jù)。
中國農(nóng)科院南繁院基地中的“高通量植物表型平臺”。受訪者供圖
智慧育種的新時代
育種的新模式,遠超馮曉軒想象。在進入中國農(nóng)科院南繁院之前,她只是一個剛剛大學畢業(yè)、從未下過田的學生。學習統(tǒng)計學的她,要從零開始,學習育種中的一切知識。盡管她的工作不需要農(nóng)學背景也可以進行,但她覺得,農(nóng)學也同樣很重要。
中國農(nóng)科院南繁院研二學生馮曉軒。受訪者供圖
“我們是從零開始做分子設計與育種的,需要自己設計模型,搜集數(shù)據(jù),進行模擬預測?!瘪T曉軒說,“所以學習農(nóng)學知識也是有必要的。”
雖然同樣沒下過地,但趙盈學過農(nóng)學,她本科學農(nóng)學,碩士學生物,也曾經(jīng)在實驗室里做過農(nóng)作物的分子實驗。
陳守坤自己找了一小塊地,延續(xù)著以前種地的習慣。雖然新的工作并不需要,但他覺得,有一塊自己的地,可以隨時驗證電腦上的設計結(jié)果,同時也保留了一點點過去種地的記憶,“習慣了,總想著有一小塊地更好。”
不論是從傳統(tǒng)育種轉(zhuǎn)入分子設計育種,還是剛剛進入育種領域的年輕人,他們其實都走在整個世界的最前列。
“我國分子育種的理論,在全球也處于領先地位。”孫坦說。
中國農(nóng)科院副院長孫坦。受訪者供圖
從很多年前開始,各種新技術就開始運用到育種,從大數(shù)據(jù)到雷達,從攝像頭到計算機,越來越多領域的研究者們,加入了育種的大軍?!白铋_始當然需要磨合,一個計算機專業(yè)的博士,和一個傳統(tǒng)育種的博士,兩個人同在一個課題組,可能連對話都難。但慢慢地,不同領域的科學技術,逐漸融合成一體,變成了現(xiàn)代化的智慧育種?!?a >孫坦說,“和所有科學一樣,農(nóng)業(yè)科學的發(fā)展,同樣越來越超出普通人可感知的世界,向著超微觀和超宏觀兩極發(fā)展。如超微觀的基因、分子,需要特定的儀器,才能被人們所觀察和干預。超宏觀的層面,整個地球的生態(tài)環(huán)境、土壤、植保、栽培,還有計算機、傳感器、衛(wèi)星遙感等技術,都已經(jīng)融合到了育種之中。所以,今天的育種,和以往的育種已經(jīng)完全不同,超出了普通人的認知?!?/p>
領先的理論水平,并不意味著所有的科研領域都領先。孫坦介紹,我國在基礎性研究、數(shù)據(jù)積累等領域,仍然相對落后,“智慧育種是一個很龐大的系統(tǒng),不亞于芯片設計和制造,事實上,育種本身也是農(nóng)業(yè)的芯片。它是一個漫長且龐大的工程,舉例來說,基因的精準鑒定,需要龐大的人力物力和財力,軟件研發(fā),需要很多年輕人參與和創(chuàng)新,數(shù)據(jù)累積,需要漫長的時間和龐大的人力物力,英國的表型數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)有百年的積累,我們還差得很遠?!?/p>
對于陳守坤和他的同事、同學們來說,眾多的困難,其實也正蘊含著無限的未來。畢竟,他們走在一個全新的世界里,而且是這個世界中的先行者。