我們辦了一場“相親角”，結果對面全是MOSS…

現代育種的本質，是通過科學手段使作物的優良基因實現優化重組。而雜交育種和制種則是通過人工雜交選育的方式，讓不同品種的作物“結親”，重組優異性狀，它們的后代往往會更強壯、更高產，這種現象叫“雜種優勢”。但這個過程一點也不輕松。

雜交育種和制種通常需先對母本花朵去雄（去除雄蕊），防止自交授粉，再將父本花粉涂抹到母本花朵柱頭上。這工作精細得像繡花，操作人員必須搶在花朵剛剛開放的短暫窗口期完成，否則授粉失敗，前功盡棄。

無論是雜交育種（使用不同親本重復操作）還是雜交制種（使用固定親本大批量重復操作），這項工作都耗時耗力。正因如此，為了獲得一粒高產、抗逆、好吃的作物種子，研究人員需要進行大量的人工雜交授粉。

然而，隨著人口老齡化，熟練授粉工人越來越少，人工成本逐年升高。更嚴重的是，一些增產潛力巨大的作物（如大豆）因為授粉難、成本高，至今無法大規模利用雜種優勢，這無疑是農業育種領域的一大挑戰。

根據統計，2024年全球雜交種子市場規模達3830億元，預計到2029年將達到5904億元[1]。以番茄為例，雜交種已占商品種的90%以上，但因柱頭內縮的閉合花型，全球番茄雜交育種和制種至今仍完全依賴人工，這項工作的人工費用已占番茄總育種成本的25%以上，僅人工去雄一項就占番茄雜交授粉成本的40%[2-4]。大豆雜交種有30%以上的增產潛力，但大豆花高度閉合，雜交授粉操作極其困難，無法進行規模化雜交制種[5]。

于是，科學家們一直在思考：有沒有可能讓作物自己長出更“適合相親”的花型，再請一個不知疲倦的機器人來當紅娘？

Part.1

柱頭外露型雄性不育系

雜交育種和制種的“夢中情花”

雜交育種是現代農業的核心技術之一，雜種優勢的利用為提高作物單產、保障糧食安全做出了重大貢獻。該技術已在水稻、玉米和小麥等不同作物上取得了巨大成功。

20世紀60年代，李振聲院士利用普通小麥與長穗偃麥草進行遠緣雜交，成功培育出抗病、高產、優質的小麥新品種“小偃6號”。以此為基礎育成的一系列新品種得以大面積推廣，獲得了顯著的增產效果。

20世紀70年代，袁隆平院士基于天然雄性不育的野生稻“野敗”，提出水稻“三系配套”的雜交育種技術路線。這項突破將雜種優勢理論成功應用于自花授粉的水稻，培育出多個高產雜交水稻品種，為中國雜交水稻的研究與推廣奠定了堅實的基礎。

隨著社會發展，人們對育種效率的要求越來越高，作物花型已經成為限制雜種優勢利用、提高育種效率的一大瓶頸。以番茄為例，它的雄蕊像一個“錐形”的小燈籠，雄蕊錐把雌蕊緊緊包裹，幾乎不給外來花粉“插足”的機會。大豆更是“鐵桶陣”，龍骨瓣緊緊包裹，柱頭完全藏在其中，人工授粉不僅耗時，還常常失敗(圖1)。

圖1. 野生番茄和大豆花器官的形態（圖片來源：張廷浩 謝躍）

對于育種家而言，大家夢寐以求的是一種柱頭外露型雄性不育系。它的花粉不育，不能自花授粉；而柱頭自然伸出，方便接受外來花粉。這樣一來，就不用人工去雄，也不用精細操作授粉，育種效率大大提高。這種“柱頭外露型雄性不育系”，是育種家心中的“夢中情花”。

Part.2

生物技術筑基：

基因編輯量身打造理想花型

過去，要得到這樣的柱頭外露型雄性不育系，只能靠自然變異或大規模誘變篩選，效率極低，幾乎是“碰運氣”。中國科學院遺傳與發育生物學研究所許操研究員帶領的智能育種科研團隊選擇了另一條道路：基因編輯——這是一種可以像“修改文字”一樣，在DNA上精準“改字”的工具。

團隊瞄準了一個叫GLO2的基因，它控制著番茄雄蕊的發育。研究團隊巧妙地在這個基因上動了一個“小手術”，獲得了結構變異的基因型。這樣，做完“手術”的番茄花雄蕊會開裂卷曲像“燙發”、花粉敗育，而柱頭自然外露(圖2)。令人驚喜地是，其他性狀——比如植物株高、開花時間、果實大小和種子質量——幾乎不受影響。也就是說，科研人員只改變了“花蕊的發型”，沒有動搖整株植物的基礎性能。這項技術的普適性也很強。在512個不同番茄品種里，都能通過同一個基因編輯方法實現這種理想花型的創制。

圖2. 基因編輯快速創制柱頭外露型雄性不育材料（圖片來源：張廷浩 謝躍）

不僅如此，研究團隊還把這套策略推廣到大豆上。大豆的花原本極難雜交授粉，而通過多基因編輯，首次成功創制了柱頭外露型大豆雄性不育系(圖2)。結果顯示，這種“理想花型”能讓人工授粉操作時間減少76.2%，有望快速推動大豆雜交育種和制種。

Part.3

AI賦能：機器人“吉兒”勞作

工業革命通常與農業革命相伴相生，深刻影響性狀選擇偏好和農業生物育種路徑。比如機械工業技術和化工技術促進了宜機收獲、宜施肥的半矮稈小麥育種和第一次綠色革命[6]。如今，生物技術與人工智能的結合，正在推動新一輪綠色革命。

有了適合機器操作的花型，接下來的問題是：誰來當這位永不疲倦的授粉工？答案就是——“吉兒”機器人。

“吉兒”的全名是GEAIR，意思是“基因編輯（Genome Editing）+人工智能（AI）+機器人（Robots）”。它是全球首臺可以自動巡航、精準授粉的智能育種機器人(圖3)。

“吉兒”機器人授粉過程可以分為三步：

找花：科研團隊用12,800張圖像訓練深度學習神經網絡YOLACT_Orient，讓機器人能夠識別花朵并判斷柱頭的朝向。準確率達82%，單幀分析只需0.06秒。

定位：通過偽雙目測距和數學算法（SURF特征匹配RANSAC算法），機器人能在三維空間里精確定位柱頭，誤差僅7.67毫米。

授粉：使用“螺旋伺服”策略，機械臂輕柔地將花粉遞送到柱頭表面，既確保授粉成功，又避免損傷柱頭。

圖3.“吉兒”在商業化溫室進行授粉作業（圖片來源：謝躍）

實驗數據顯示，“吉兒”的授粉成功率接近80%，單朵花只需15秒，而且可以24小時不停歇地巡航工作。其零部件可實現100%國產化，成本低于一名授粉工人一年的工資。這意味著，我們的育種家和工人們就可以從重復性的勞動中解脫出來從事更具創造性的勞動。

Part.4

智能育種工廠：

“吉兒”+從頭馴化+快速育種

“吉兒”可不是單打獨斗！團隊并不滿足于只解決授粉問題。他們進一步把“吉兒”與兩項前沿技術結合：

從頭馴化（de novo domestication）：綜合應用基因組編輯、合成生物學等現代生物技術，把野生近緣種快速改造成適合栽培的新作物。這樣一來，野生植物中的抗病、耐旱、風味基因就能迅速被利用[7]。

快速育種（Speed breeding）：通過使用人造光源和人工調控植物生長環境，縮短植物的生長周期，加速世代交替[8]。

結合這三項技術，團隊提出了“智能育種工廠（Breeding factory）”模式。在這一全新的育種模式下，可大幅節省人工和時間；傳統種植模式下每平方米只能種植3-5株番茄，這里可以種植100株；平時一年只能種2茬，這里可連續種5-6茬；平時依賴大量人工勞作，這里則由“吉兒”機器人全天候自動運行。過去利用野生番茄的基因資源往往需要5年，而現在只要1年就能完成(圖4)。

圖4.作物花型重塑與AI機器人協同設計實現智能自動化雜交育種（圖片來源：謝躍 張廷浩）

這種模式已經在番茄上獲得成功，可批量快速培育風味濃郁的口感番茄和抗逆豐產的優質番茄新種質。為解決中國科協2025十大前沿科學問題“作物野生近緣種在提升栽培種抗逆特性的育種潛力”提供智能育種全新科技方案。

Part.5

協同設計的無限可能

“吉兒”系統的核心思想是作物-機器人協同設計。過去的雜交育種是“多系配套”，比如水稻的“三系法”、“兩系法”。而未來，可能會發展成“機器人配套”的雜交育種模式。通過基因編輯，科學家能讓植物展現出機器人能識別的“表型標記”，比如柱頭外露的花型。這樣，機器人不僅能區分不育系和保持系，還能自動完成授粉操作。

許操研究員團隊的這一研究開辟了“BT筑基+AI賦能+機器人(Robot)勞作”的智能育種(BAR)模式，標志著我國率先完成自主產權的智能機器人育種閉環技術體系構建，在生物育種范式革新和催生新質生產力方面展現了“AI for Science”的重大應用前景。

這種模式未來可以擴展到辣椒、茄子、馬鈴薯、棉花、大豆等更多作物。屆時，機器人將在溫室里穿梭，把作物一代又一代改良得更高產、更美味、更耐逆。或許在不久的將來，不論是讓我們“吃好”的番茄醬、豆漿、辣椒醬，還是讓我們“穿暖”的長絨棉，這背后都有“吉兒”的一份功勞。它不僅是一臺機器人，更是新一輪綠色革命的“沖鋒號”！

Part.6

結語

“吉兒”的誕生，標志著生物技術+人工智能的結合正引領農業進入一個全新的時代。如果說第一次綠色革命是依靠化肥和機械化，那么新一輪綠色革命則可能是由生物技術和人工智能點燃。未來的農業，將有望從基因編輯設計作物花型，機器人自動完成授粉，智能育種工廠批量培育新品種開始。

在這樣的場景中，育種不再是一項需要耗費數十年的勞動密集型工程，而已成為人工智能驅動的高效協同過程。對每位消費者來說，這意味著更豐富、更美味、更安全的食物和農產品。而對人類社會來說，它更是保障糧食安全、應對氣候變化的強大武器。

“吉兒”，正讓作物走上智能化的“相親”之路。

參考文獻:

[1] Hybrid Seeds Global Market Report 2025.

[2] Analysis report on the development opportunities and competitive risks in the tomato seed industry in 2024.

[3] Kumar, S., and Singh, P. K. (2005). Mechanisms for hybrid development in vegetables. J. New Seeds. 6, 381-407.

[4] Cheema, D.S., and Dhaliwal, M.S. (2005). Hybrid Tomato Breeding. J. New Seeds. 6, 1-14.

[5] Guard, A.T. (1931). Development of floral organs of the soybean. Bot. Gaz.91, 0097-0102.

[6] Shah, L., Yahya, M., Shah, S.M.A., Nadeem, M., Ali, A., Ali, A., Wang, J., Riaz, M.W., Rehman, S., Wu, W.X., et al. (2019). Improving lodging resistance: Using wheat and rice as classical examples. Int. J. Mol. Sci. 20, 4211.

[7] Li, T.D., Yang, X.P., Yu, Y., Si, X.M., Zhai, X.W., Zhang, H.W., Dong, W.X., Gao, C.X., and Xu, C. (2018). Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing. Nat. Biotechnol. 36, 1160-1163.

[8] Watson, A., Ghosh, S., Williams, M.J., Cuddy, W.S., Simmonds, J., Rey, M.D., Hatta, M.A.M., Hinchliffe, A., Steed, A., Reynolds, D., et al. (2018).Speed breeding is a powerful tool to accelerate crop research and breeding. Nat. Plants 4, 23-29.

出品：科普中國

作者：張廷浩、謝躍、許操（中國科學院遺傳與發育生物學研究所）

監制：中國科普博覽

本文僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場

本文首發于中國科普博覽（kepubolan）

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