十月深秋，長(zhǎng)江南北的農(nóng)田中，進(jìn)入了秋收的最后階段，一層又一層秋風(fēng)，把玉米、水稻、大豆吹得金黃一片。而遠(yuǎn)在海南三亞，溫暖如春的海島上，也迎來(lái)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(lái)自全國(guó)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(guò)程，被稱為“南繁加代”。
不過(guò)，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(méi)有自己的農(nóng)田和種子，甚至也不是農(nóng)學(xué)專業(yè)出身。他們學(xué)習(xí)分子生物學(xué)或者現(xiàn)代信息技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等，在數(shù)據(jù)之中，開(kāi)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(tái)電腦，就是陳守坤的“試驗(yàn)田”。
陳守坤。受訪者供圖
幾年中，從打造自己的“大模型”開(kāi)始，到搜集數(shù)據(jù)、進(jìn)行配組、測(cè)試千萬(wàn)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(fù)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(kāi)始，然后進(jìn)行一次又一次雜交，一代又一代種植和選擇。傳統(tǒng)時(shí)代的育種家們，需要六到八年的時(shí)間，才能選出一個(gè)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(gè)時(shí)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(huì)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(kāi)始播種的時(shí)候，三亞的種子正好成熟，他又帶著種子北上。周而復(fù)始，像候鳥(niǎo)一樣，追逐著氣候的變化而遷徙。
直到轉(zhuǎn)做分子設(shè)計(jì)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(jī)器學(xué)習(xí)等各種新技術(shù)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(dǎo)入模型，尋找自己需要的組合，進(jìn)行大量匹配，再輸入各種環(huán)境參數(shù)，通過(guò)模型預(yù)測(cè)，就可以精準(zhǔn)地組合成想要的品種。這個(gè)過(guò)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(gè)分子設(shè)計(jì)育種的過(guò)程，完全在電腦上完成，幾乎徹底離開(kāi)了農(nóng)田。
和陳守坤同在一個(gè)課題組的年輕學(xué)生們，有許多從來(lái)沒(méi)有下過(guò)地，甚至也沒(méi)有農(nóng)學(xué)背景。今年研二的郭曉冰和馮曉軒，兩個(gè)人都是學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)學(xué)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(lái)自過(guò)去到現(xiàn)在許許多多的育種家們，漫長(zhǎng)的育種史中，積累了大量的數(shù)據(jù)。而隨著分子生物學(xué)的進(jìn)步，基因組測(cè)序每天都會(huì)增加更多的作物基因數(shù)據(jù)。他們?cè)邶嫶蟮臄?shù)據(jù)中，挖掘一切有價(jià)值的基因，然后根據(jù)需要，配成不同的組合，再通過(guò)大模型，預(yù)測(cè)每一種組合的效果。
農(nóng)學(xué)生的數(shù)字莊園
考入中國(guó)農(nóng)科院南繁院之前，統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)的郭曉冰，幾乎對(duì)農(nóng)業(yè)完全不了解，也沒(méi)有想過(guò)，育種究竟該如何進(jìn)行。馮曉軒同樣如此，他們考研的專業(yè)，叫作“生物信息學(xué)”，聽(tīng)起來(lái)和農(nóng)業(yè)、育種毫無(wú)關(guān)系。他們只知道，考上之后，未來(lái)三年的學(xué)習(xí)，都在海南三亞，一個(gè)四季都是夏天的地方。
中國(guó)農(nóng)科院南繁院研二學(xué)生郭曉冰。受訪者供圖
中國(guó)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(guó)最多的農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)，最多的育種科學(xué)家，還有最先進(jìn)的育種設(shè)施。
對(duì)郭曉冰他們來(lái)說(shuō)，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(fēng)和朝陽(yáng)，一路騎車到實(shí)驗(yàn)室，坐在電腦前，開(kāi)始一天的學(xué)習(xí)和工作。
風(fēng)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(shí)世界的農(nóng)田。
在這個(gè)看不見(jiàn)的虛擬世界中，一粒種子落入“土壤”，生根發(fā)芽，經(jīng)歷風(fēng)雨，開(kāi)花結(jié)果，重新長(zhǎng)出新的種子。
當(dāng)外界急劇變化的氣候、頻發(fā)的極端天氣和高發(fā)的病蟲(chóng)害，不斷影響著人們的糧食時(shí)，這間實(shí)驗(yàn)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(chóng)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(zhǎng)的時(shí)間，很難完全應(yīng)對(duì)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(shè)計(jì)育種可以用最快的方式，進(jìn)行不同目標(biāo)的育種預(yù)測(cè)，通過(guò)龐大的作物基因數(shù)據(jù)庫(kù)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(yīng)的品種，并進(jìn)行預(yù)測(cè)。
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?guó)農(nóng)科院南繁院分子設(shè)計(jì)育種課題組博士趙盈說(shuō)。
中國(guó)農(nóng)科院南繁院博士趙盈。受訪者供圖
從許多年前開(kāi)始，育種就不再只是農(nóng)業(yè)科學(xué)家的領(lǐng)域。中國(guó)農(nóng)科院副院長(zhǎng)孫坦介紹，在國(guó)外，分子設(shè)計(jì)育種已經(jīng)發(fā)展多年，國(guó)際上知名的種業(yè)企業(yè)，耗費(fèi)數(shù)十億美元，打造自己的分子設(shè)計(jì)育種平臺(tái)，育成了大量新品種。我國(guó)分子育種起步較晚，但發(fā)展很快，尤其在技術(shù)應(yīng)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(shè)計(jì)育種技術(shù)。
趙盈正在進(jìn)行一項(xiàng)大豆育種的分子設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)，大豆是我國(guó)最大的油料和飼料作物，也是我國(guó)進(jìn)口最多的作物，提升我國(guó)大豆的產(chǎn)量，是關(guān)系糧食安全的重要部分，“目前大豆育種最大的目標(biāo)，首先是單產(chǎn)提升。我國(guó)耕地有限，很難通過(guò)大規(guī)模擴(kuò)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(shí)，因?yàn)闅夂蜃兓雀鞣N影響，未來(lái)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。”
電腦上的設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)，在整個(gè)分子設(shè)計(jì)育種中，是最關(guān)鍵的部分，但并不是全部過(guò)程。在預(yù)測(cè)完成之后，還要在田間進(jìn)行驗(yàn)證，收集和觀察配組之后的各種表型數(shù)據(jù)。
中國(guó)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(gè)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(shí)的生長(zhǎng)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(guān)系著作物的生長(zhǎng)能力、抗倒伏能力等。再如穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等，直接關(guān)系著產(chǎn)量。
在過(guò)去，像袁隆平這樣的育種家們，需要年復(fù)一年，長(zhǎng)時(shí)間蹲在田里，用肉眼一株株觀察，用筆一個(gè)個(gè)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(jìn)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(huì)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(lái)，傳輸?shù)胶蠓?，育種者們則通過(guò)電腦進(jìn)行匯總、分析、處理。
在趙盈工作的大樓旁邊，就有一處我國(guó)目前最專業(yè)、技術(shù)含量最高的田間“高通量植物表型平臺(tái)”。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(gè)小型的“龍門吊”，稻田遍設(shè)軌道，鋼架搭載十多種監(jiān)測(cè)儀器，在田間自由移動(dòng)，監(jiān)測(cè)植物從播種到收獲全周期的表型數(shù)據(jù)。
中國(guó)農(nóng)科院南繁院基地中的“高通量植物表型平臺(tái)”。受訪者供圖
智慧育種的新時(shí)代
育種的新模式，遠(yuǎn)超馮曉軒想象。在進(jìn)入中國(guó)農(nóng)科院南繁院之前，她只是一個(gè)剛剛大學(xué)畢業(yè)、從未下過(guò)田的學(xué)生。學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)學(xué)的她，要從零開(kāi)始，學(xué)習(xí)育種中的一切知識(shí)。盡管她的工作不需要農(nóng)學(xué)背景也可以進(jìn)行，但她覺(jué)得，農(nóng)學(xué)也同樣很重要。
中國(guó)農(nóng)科院南繁院研二學(xué)生馮曉軒。受訪者供圖
“我們是從零開(kāi)始做分子設(shè)計(jì)與育種的，需要自己設(shè)計(jì)模型，搜集數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)?！瘪T曉軒說(shuō)，“所以學(xué)習(xí)農(nóng)學(xué)知識(shí)也是有必要的。”
雖然同樣沒(méi)下過(guò)地，但趙盈學(xué)過(guò)農(nóng)學(xué)，她本科學(xué)農(nóng)學(xué)，碩士學(xué)生物，也曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里做過(guò)農(nóng)作物的分子實(shí)驗(yàn)。
陳守坤自己找了一小塊地，延續(xù)著以前種地的習(xí)慣。雖然新的工作并不需要，但他覺(jué)得，有一塊自己的地，可以隨時(shí)驗(yàn)證電腦上的設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)也保留了一點(diǎn)點(diǎn)過(guò)去種地的記憶，“習(xí)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(shè)計(jì)育種，還是剛剛進(jìn)入育種領(lǐng)域的年輕人，他們其實(shí)都走在整個(gè)世界的最前列。
“我國(guó)分子育種的理論，在全球也處于領(lǐng)先地位。”孫坦說(shuō)。
中國(guó)農(nóng)科院副院長(zhǎng)孫坦。受訪者供圖
從很多年前開(kāi)始，各種新技術(shù)就開(kāi)始運(yùn)用到育種，從大數(shù)據(jù)到雷達(dá)，從攝像頭到計(jì)算機(jī)，越來(lái)越多領(lǐng)域的研究者們，加入了育種的大軍?！白铋_(kāi)始當(dāng)然需要磨合，一個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)的博士，和一個(gè)傳統(tǒng)育種的博士，兩個(gè)人同在一個(gè)課題組，可能連對(duì)話都難。但慢慢地，不同領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)，逐漸融合成一體，變成了現(xiàn)代化的智慧育種?！睂O坦說(shuō)，“和所有科學(xué)一樣，農(nóng)業(yè)科學(xué)的發(fā)展，同樣越來(lái)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(yù)。超宏觀的層面，整個(gè)地球的生態(tài)環(huán)境、土壤、植保、栽培，還有計(jì)算機(jī)、傳感器、衛(wèi)星遙感等技術(shù)，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(rèn)知?！?/p>
領(lǐng)先的理論水平，并不意味著所有的科研領(lǐng)域都領(lǐng)先。孫坦介紹，我國(guó)在基礎(chǔ)性研究、數(shù)據(jù)積累等領(lǐng)域，仍然相對(duì)落后，“智慧育種是一個(gè)很龐大的系統(tǒng)，不亞于芯片設(shè)計(jì)和制造，事實(shí)上，育種本身也是農(nóng)業(yè)的芯片。它是一個(gè)漫長(zhǎng)且龐大的工程，舉例來(lái)說(shuō)，基因的精準(zhǔn)鑒定，需要龐大的人力物力和財(cái)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(zhǎng)的時(shí)間和龐大的人力物力，英國(guó)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(yuǎn)?！?/p>
對(duì)于陳守坤和他的同事、同學(xué)們來(lái)說(shuō)，眾多的困難，其實(shí)也正蘊(yùn)含著無(wú)限的未來(lái)。畢竟，他們走在一個(gè)全新的世界里，而且是這個(gè)世界中的先行者。
新京報(bào)記者 周懷宗
編輯 張樹(shù)婧 校對(duì) 張彥君
