番茄是很多人喜愛的蔬菜，不過你可能不知道，1克“高端”番茄種子的售價是黃金價格的5倍，而且主要“貴”在雜交育種流程上。如何讓這一過程更加智能高效是全球科學(xué)家一直希望解決的難題。中國科學(xué)家日前在國際頂級期刊《細胞》上發(fā)表的一項番茄育種研究，通過全新的技術(shù)手段解決了這個難題。那么，新研究采用的技術(shù)能否大范圍推廣？這一成果對于其他作物的雜交育種又有哪些借鑒意義？

1 “成也馴化敗也馴化”的番茄

提到雜交種，估計不少人腦海里會閃現(xiàn)出“雜交水稻”，以袁隆平為代表的雜交水稻團隊經(jīng)過無數(shù)年的努力克服了水稻雜交的難題，解決了全球約五分之一人口的溫飽問題。

其實除了雜交水稻，玉米、小麥、油菜、棉花等都是雜交物種。為什么人們進行農(nóng)作物生產(chǎn)喜歡用雜交種呢？這就不得不提到一個重要的概念：雜種優(yōu)勢。在生物學(xué)上，不同的種屬或者品種的交配被稱為雜交，雜交種的第一代在生長、抗逆、品質(zhì)、產(chǎn)量等諸多生物學(xué)性能方面優(yōu)于親本，這種現(xiàn)象就叫作雜種優(yōu)勢。

生活中，還有一種重要的蔬菜也是雜交種，那就是大家熟悉的番茄。雜交番茄具有產(chǎn)量高、質(zhì)量好、早熟和抗逆性高等優(yōu)勢，比如，它的產(chǎn)量要比常規(guī)品種高出20%至30%。正因如此，目前全球商業(yè)化種植的番茄中90%都是雜交番茄品種，占據(jù)絕對的市場優(yōu)勢。2024年，番茄雜交種的市值是85.4億元，預(yù)計到2030年這個數(shù)字將增至150.5億元。

前面提到，1克“高端”番茄種子的售價遠超黃金，原因是生產(chǎn)雜交番茄種子的成本實在是太高。番茄花的柱頭內(nèi)縮，為閉合花型，更適合自花授粉，想要雜交種就需要人工去除番茄花里的雄蕊，再引入外源花粉進行雜交?？墒牵鸦ǖ闹睆絻H1厘米且開花時間不一致，花期又短，必須趕在花粉成熟前操作，人工雜交的勞動量有多大可想而知，一不小心還容易損傷花的其他結(jié)構(gòu)，影響其后續(xù)發(fā)育。所以，雜交番茄育種的人工成本一直很高，達到了總成本的25%，其中，光是“去雄”這個環(huán)節(jié)就占據(jù)了授粉成本的40%。

為什么會出現(xiàn)這種狀況？說起來，是“成也馴化敗也馴化”。

原始的番茄花本來是柱頭外露的，方便借助昆蟲或者風(fēng)力進行異花授粉，這樣的生存策略在野生的自然環(huán)境下優(yōu)缺點兼?zhèn)?，?yōu)點是通過雜交實現(xiàn)遺傳多樣性增強，缺點是授粉成功率容易受到環(huán)境因素如惡劣天氣、媒介缺乏等影響導(dǎo)致產(chǎn)量不穩(wěn)定。因此，人類祖先開始馴化番茄的時候，為了讓番茄性狀一致、降低傳粉失敗的風(fēng)險，選擇了“閉花授粉”的路子，而由于隔絕了外來花粉，還可以確保子代和親本性狀一致，這種近交策略可以說是當年農(nóng)業(yè)馴化的核心（類似于保證血統(tǒng)的純粹）。但是，這種策略也阻礙了番茄享受雜種優(yōu)勢，當人們想要實現(xiàn)雜種優(yōu)勢時，就不得不人工“去雄”以實現(xiàn)雜交，成本隨之劇增。

現(xiàn)在，科學(xué)水平大幅提高并擁有先進的生物技術(shù)，于是科學(xué)家思考：能否解決這個問題讓番茄雜交更加智能高效呢？

2 基因編輯成功“定制”雜交優(yōu)種

要想讓番茄雜交更加順利，需要同時具備兩種特點：首先是雄性不育，避免番茄自交；其次是柱頭外露，讓人工授粉更加便捷。這相當于至少需要實現(xiàn)兩種生物性狀，難度自然不低。

為了找到雄性不育、柱頭外露的性狀，國內(nèi)外科學(xué)家做了很多嘗試。最直接的想法就是從野生資源中尋找天然突變體，但是，番茄在自然情況下雄性不育的頻率極低。熟悉雜交水稻歷史的人，估計都記得當年為了實現(xiàn)雜交水稻，無數(shù)人在田野里堅持了很久才找到那株大名鼎鼎的雄性不育系“野敗”。事實上，人們的確也找到了番茄的雄性不育突變體，可惜這種突變體往往伴隨著果實較小、坐果率低（指植物開花后最終發(fā)育成果實的數(shù)量占花朵或花序總數(shù)的比例較低）和風(fēng)味不佳等連鎖不良性狀，引入這些性狀的雜交番茄是無法滿足商業(yè)化種植需求的。后來，科學(xué)家嘗試進行人工誘變育種，通過化學(xué)或者物理因素誘導(dǎo)基因變異從而實現(xiàn)柱頭外露且雄性不育，結(jié)果顯示，變異較為隨機、獲得效率較低，容易引發(fā)變異株出現(xiàn)不良性狀等，而且這種方法難度大、周期長，需要經(jīng)過長期的雜交才能將有效基因?qū)肽繕瞬牧现小?/p>

還有別的辦法嗎？我國科學(xué)家另辟蹊徑，嘗試利用基因編輯技術(shù)這一新利器定制雜交番茄的理想性狀。

先簡單介紹一下植物的花的發(fā)育模型。一朵常見的花通常有4種結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)依次是萼片、花瓣、雄蕊和心皮，負責(zé)這4種結(jié)構(gòu)的決定基因卻只有3類。那么，3類基因如何控制4種結(jié)構(gòu)呢？答案是：A類基因負責(zé)萼片和花瓣的發(fā)育，B類基因控制花瓣和雄蕊的發(fā)育，C類基因控制雄蕊和心皮的發(fā)育。這就是植物遺傳發(fā)育學(xué)領(lǐng)域著名的“ABC模型”。其中，B類基因在花瓣和雄蕊的發(fā)育上起著關(guān)鍵性的作用。

再來看看我們期待的全新番茄特點：利用雄性不育避免自交、引入雜交，需要對雄蕊基因進行操作從而使雄蕊敗育，這是B類基因負責(zé)的；利用柱頭外露讓異花授粉更方便，有兩種思路，一是讓柱頭長得更突出，二是讓雄蕊發(fā)育不佳，柱頭自然外露，依然由B類基因負責(zé)。因此，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員許操團隊決定對番茄B類基因進行基因操作。通過一系列研究，他們選定了一個叫作GLO2的基因，該基因?qū)儆诨ㄆ鞴僬{(diào)控中的B類基因，可以調(diào)節(jié)花瓣和雄蕊的發(fā)育。

一開始，科學(xué)家嘗試通過靶向基因的編碼區(qū)讓整個基因失活，結(jié)果發(fā)現(xiàn)GLO2功能缺失會導(dǎo)致在不良遺傳背景下花的其他部位發(fā)育缺陷，從而影響番茄的生產(chǎn)性能，或者僅實現(xiàn)部分雄性不育。于是，科學(xué)家優(yōu)化了基因編輯，對調(diào)節(jié)基因表達的非編碼區(qū)進行編輯，這樣不至于徹底影響GLO2的功能。如此操作后，出現(xiàn)了全新的番茄變異株，其雄蕊卷曲開裂且沒有交織的絨毛，無法形成雄蕊錐而不能產(chǎn)生可育花粉，實現(xiàn)了雄性不育。同時，由于雄蕊的縮短和彎曲，實現(xiàn)了柱頭外露，這就是育種家翹首以盼的“結(jié)構(gòu)型雄性不育系”。經(jīng)過后續(xù)實驗驗證，這種基因編輯能夠穩(wěn)定遺傳下去，在512個番茄品種中均可以穩(wěn)定再現(xiàn)，且不影響坐果率、種子質(zhì)量，至此，科學(xué)家成功開發(fā)出了柱頭外露的雄性不育番茄品系。

3 AI賦能機器人授粉更高效

解決了雜交育種植物本身的限制后，科學(xué)家期待進一步降低雜交育種的授粉成本。既然人工成本高，能不能用機器人代勞呢？

想用機器人操作，研究人員需攻克三重技術(shù)壁壘。首先是要精準識別花朵。番茄花朵才1厘米大小，且花朵整株各個部位朝著各個方向開放，還可能被葉片、枝條和果實等遮掩。其次是要精準定位柱頭來授粉，這對識別的要求更高，精度達毫米級。最后是控制好操作力度，既要實現(xiàn)授粉，又不能損傷柱頭，影響坐果。

為了解決這些問題，最新的AI科技派上了用場。許操團隊與中國科學(xué)院自動化研究所副研究員楊明浩和研究員韓華、上海交通大學(xué)教授連文昭、清華大學(xué)教授陶建華等合作進行AI訓(xùn)練。他們收集了12800張圖像，并在每張圖片中標記了邊界、分割掩碼（讓圖像中的對象能夠從背景中精準分離出來）和所需要授粉的方向。然后，用7680張圖像進行深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，通過深度學(xué)習(xí)模型處理，使AI能夠在復(fù)雜環(huán)境中精準識別花朵，并定位到毫米級的柱頭。

解決了精準識別花朵和柱頭的難題后，接下來就是設(shè)計機器人。機器人授粉面臨兩個挑戰(zhàn)，一個挑戰(zhàn)是識別并接近花朵，這需要它能夠找到所有成熟的花朵并對不同朝向的花朵精準靠近；另一個挑戰(zhàn)是要短暫地接觸柱頭完成授粉，還得控制好力度不傷害花朵。最終，研究人員設(shè)計出一個智能育種機器人“吉兒”（英文縮寫為GEAIR，意為基因編輯協(xié)同人工智能機器人）。

“吉兒”由多個部分組成：一個移動底座用于在2米間距的番茄行間巡航；一個超寬帶定位模塊讓其可在溫室里進行高精度定位、測距和坐標計算；一個RealSense D435i攝像頭用來進行圖像捕捉和識別；一套授粉設(shè)備（包括一個授粉臂、授粉夾爪）精準、輕柔地夾持花粉刷，與柱頭接觸來完成授粉；一個裝花粉的容器?？梢韵胂笠幌拢?ldquo;吉兒”隨著底座巡航到某株番茄時，迅速捕捉到圖像并進行識別，引導(dǎo)機械臂快速精準靠近花朵并輕柔夾住花朵完成授粉，隨后移向下一朵花。實踐表明，智能育種機器人“吉兒”對柱頭的識別準確率可達85.1%，為一朵花授粉僅耗時15秒，效率遠高于人類授粉。而且，機器人不知疲倦，可以全天候不間斷地反復(fù)巡航授粉，以確保每朵花在窗口期都能成功授粉和坐果。

有了“吉兒”，人們可以更快、更好地進行番茄雜交育種，極大提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。不僅如此，“吉兒”的零部件國產(chǎn)化自主率已達95%以上，很大程度上消除了其在應(yīng)用上的限制風(fēng)險。如今，在北京昌平的實驗基地和首農(nóng)集團的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園，“吉兒”已經(jīng)實現(xiàn)應(yīng)用。

4 智能育種模式將成新農(nóng)業(yè)趨勢

基因編輯、人工智能和機器人技術(shù)的結(jié)合是一種范式革新。傳統(tǒng)上，基因育種研究如誘變、基因編輯均屬于基礎(chǔ)研究范疇，往往是在實驗室里進行，而培育雜交種、授粉等屬于工程應(yīng)用領(lǐng)域，大家各自為營，卻容易由于需求不一致形成壁壘。此次，中國研究團隊打造的“生物技術(shù)（BT）筑基+AI賦能+機器人（ROBOT）勞作”的智能育種（BAR）模式是一套完整的體系，打通了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用實踐的全過程。

可以看出，中國科學(xué)家從一開始就是解決整體問題的思路。面對番茄雜交育種中的授粉難題，用基因編輯技術(shù)來實現(xiàn)雄性不育、柱頭外露，在設(shè)計實驗時就考慮到如何與機器人結(jié)合，選擇的編輯策略非常謹慎。

雜種優(yōu)勢是一個被廣泛觀察和應(yīng)用的生物學(xué)優(yōu)勢，現(xiàn)已成為農(nóng)業(yè)育種領(lǐng)域的重要手段。全球雜交種子市場在2024年的份額已達到3830億元，據(jù)預(yù)測，到2029年這一數(shù)字將達5904億元。因為很多作物都面臨著與番茄一樣的雜交育種難題，比如，食用油、家畜飼料的主要來源之一大豆，其雜交種可以提高30%的產(chǎn)能，但現(xiàn)實中，大豆花由于高度閉合導(dǎo)致雜交授粉極其困難，無法進行雜交制種。據(jù)中國研究團隊透露，他們嘗試把針對番茄的雜交策略應(yīng)用到大豆上并獲得成功，節(jié)省了76.2%的人工授粉操作時間，首次實現(xiàn)大豆雄性不育快速生產(chǎn)制造，有望讓我國突破大豆雜交育種的瓶頸，大幅提高單產(chǎn)。同理，其他作物如土豆、茄子、辣椒等或許也可從中獲益。隨著這項技術(shù)的推廣，雜交育種迎來新的生機，對于提高國家糧食、蔬菜的產(chǎn)量意義非凡。

那么，如果把“吉兒”末端的花粉刷改成機械手，是不是就能實現(xiàn)由機器人完成果實的采摘或蔬菜的收割？沿用這種思路，通過生物技術(shù)來優(yōu)化農(nóng)作物的生物結(jié)構(gòu)，再針對性地進行AI學(xué)習(xí)訓(xùn)練并設(shè)計出匹配的機械手，就可以讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率獲得極大提升。

總之，智能育種（BAR）模式對于植物育種乃至農(nóng)業(yè)應(yīng)用來說都是一個巨大的突破，而受益于這項研究成果的遠不止雜交番茄。未來，這種作物-機器人協(xié)同設(shè)計的“雙向奔赴”將成為新農(nóng)業(yè)的趨勢，極大改善農(nóng)業(yè)從育種到生產(chǎn)的過程，讓“民以食為天”得到更好的保障。

（作者為中國科學(xué)院西南生物多樣性中心生物學(xué)博士）