创新的脚步：南繁再出发

 

南繁，在育种科学家心目中是一个近乎神圣，又充满希翼的词汇。无论是杂交水稻，还是耐密玉米，或是高油大豆，亦或高产长绒棉，几乎每一种作物的改良都经历了南繁的洗礼。

过去的南繁，中国农业科学院的科研人员疲于奔波，匆匆来到海南完成一个生育周期的培育，又匆匆赶回北方栽种下一季，以验证选种的性状。

两年多前，中国农业科学院国家南繁研究院（以下简称南繁院）的成立改变了这一切。如今的南繁，新平台、新基地、新技术、新领域逐一呈现。

在南繁院院长彭军的设想中，这座位于海南三亚的研究院，最终将成为“南繁硅谷”一样的地方，集合最顶尖的团队、落地最顶尖的技术、成为未来智慧育种的孵化平台。 

野生稻基地：种质创新的平台

53年前，海南三亚南红农场，“杂交水稻之父”袁隆平团队发现了一株雄性不育的野生稻，被称为“野败”，打开了杂交水稻的大门。

50年前，我国最早的杂交水稻宣布培育成功。

50年过去，在我国南繁育种核心区海南三亚崖州湾，建起了一座全球最大的野生稻种质资源圃，目前这里活体保存着1万多份野生稻。

野生稻种质圃建设的发起者中国科学院院士、南繁院研究员钱前介绍，资源圃从2021年开始筹备建设，面积180亩，可容纳4万份野生稻，是全球最大的野生稻种质圃。自建设之初，就同步开始在这里保存野生稻。

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钱前在三亚野生稻资源圃。李晨摄

中国是水稻的发源地，海南是水稻的故乡之一，我国水稻育种中利用最多的“普通野生稻”，在海南就多有发现。尤其是在中国杂交水稻的发展史中，野生稻是不可或缺的力量。

钱前介绍，在人类长期的驯化和选育中，栽培水稻的遗传基因会出现明显的同质化，丰富性和多样性变得匮乏。表面上看，它们的产量更高，甚至品质也更好，但长远看，它们实际上缺乏应对风险的能力，也缺少大幅度提升的空间。

而野生稻长期生活在自然界，能够繁衍至今，本身就有很多特殊的本领，比如普通野生稻是匍匐的，结实不多，有落粒问题；而水稻栽培种被驯化选育成直立的株型，从低产变成高产，但抗病性等本领却丢失了。

“野生稻是中国最古老的稻子，许多野生稻传承了五千年以上。它们在自然界中经历风吹雨打，在残酷的物竞天择中生存了下来，必然有他们独特的本领。今天的育种家们就是要找到这些独特之处，变成现在育种的资源和材料。”钱前告诉《中国科学报》。

从上世纪中叶开始，我国科学家就有意搜寻和收集野生稻。钱前介绍，我国在广西、广东和云南分别建有野生稻种质圃，同时在国家种质资源库中，还以种子的形式保存着10万份水稻资源。待海南三亚的野生稻种质资源圃建成后，将会对上述三个野生稻种质圃进行备份。

“和种子相比，活体野生稻的生物多样性、遗传基因丰富性等更好，因此活体保存一直都是最好的保存方法。”钱前说，但这种保存方法要耗费巨大的人力物力，面对很多不可抗的未知风险。

三亚野生稻种质资源圃面积为180亩，并分为若干功能区域。在这里，野生稻可以实现周年生长，这也带来了新的保存问题。“有些野生稻我们需要它的种子，就会收集一部分；有些不需要，只是保存资源，就会定期给它们‘理发’，将长高的野生稻剪短，过一段时间它们还会再长起来。”南繁院研究员郑晓明说，一部分野生稻还被种植在水泥池子中，以防止野生稻通过根系繁殖。

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栽种于水泥池子中的野生稻。李晨摄

郑晓明常年从事野生稻种质资源的搜集、保护和利用工作，圃中有许多材料都是她亲自搜集而来的。她说，未来野生稻种质资源圃将实现全程智能化保存、管理、鉴定等，真正成为精准育种的平台。 

表型鉴定：新技术推动育种加速

在南繁研究院作物基因编辑与表型鉴定创新中心（以下简称表型中心）大楼外，有一片水稻田。一座5.7米高、21米宽的“龙门架”横跨在金色的稻田中。稻田四周布设的轨道可以让“龙门架”自由移动，调控“龙门架”上的设备，可以监测扫描到稻田里任何一个点位。

这就是南繁院的田间“高通量植物表型平台”，可以搭载十多种监测仪器，监测植物从播种到收获全周期的表型数据。

“我们之所以在南繁院建设这个表型平台，是因为海南的气候条件允许我们在全年的时间段都进行大田表型数据收集和分析，比国内其他地方可利用的时间长很多。”彭军告诉《中国科学报》。

南繁院作物表型组学研究团队首席金秀良在接受《中国科学报》采访时说，表型是指生物可以被观察或鉴定的所有特征，比如人的身高、血型，植物的株高、花色等。

在农业育种中，鉴定表型是最基础的工作。所有的育种家都要从田间观察一株苗开始，记录它们的每一个特征，如植株高矮、茎秆粗细、节间长短、产量高低等。通过漫长的选择，在田间千万个植株中找到最需要的那一株。

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高通量植物表型平台。李晨摄

“比如水稻的穗数、穗粒数等，是作物产量的重要指标，过去怎么得到这些数据呢？需要等到收获之后，育种家们拿回去，一项项测量。大量的实验材料可能要两到三个月才能够得到数据。”金秀良说，这制约了育种的效率和精度。

表型鉴定技术的发展为科学家带来了改变现状的契机。

金秀良介绍，高通量植物表型平台可以搭载激光雷达、高光谱相机、深度相机，以及各种传感器，从作物种植到收获全周期全天候监测作物生长情况，实时获得倒伏性状、抗旱性状、抗病性状等数十个指标数据。“效率远超人工，还可以做到人做不到的事情，比如搭载多光谱传感器，就可以收集到人眼不可能观察到的性状，如籽粒的灌浆情况和饱满程度。”

“这几天临近收获季节，学生们都派到全国各地的合作单位去采集作物表型信息了。”金秀良强调，除了利用“龙门架”这种固定设施高速、大量地鉴定作物性状，表型鉴定技术还可借助无人机、卫星遥感影像等灵活机动地监测任意田块或果园里的作物生长性状，从而达到提高育种效率和精度的服务目标。 

智慧育种：开辟种业竞争新“战场”

“智慧育种的核心之一就是表型组学。”金秀良说，在分子生物学、基因组学、大数据、人工智能等新技术的不断加持下，育种正成为数字化、智能化的综合学科，开辟了一个种业竞争的新“战场”。

育种家们的试验田中，不再只有农作物，还多了各种高科技的设备。在表型鉴定创新中心，一个20多人的“智慧化数字化南繁技术团队”正在进行农业信息化的研究。

团队成员贺子康介绍，他们开发了一套覆盖天地空的物联网感知与智慧管理系统，可以实时对农田进行环境监测和分析。

“比如虫情监测，过去依靠人力采集信息，人到地里去拍摄，拿回来分析，至少要一天。但通过我们的物联网系统，一张实时的照片传到后方，人工智能在很短的时间内就可以通过算法进行分析和判断，并给出参考结论。”贺子康说。

该团队成员赵鸿鑫介绍，“布设在地里的传感器有多种类型，比如气象站、虫情监测仪、高清摄像头、孢子监测仪等，可以全方位地监测农田的变化。”

然而，天空地全程监测的数据，如何帮助育种家们进行选择？大量的数据如何处理？

在南繁院，来自大数据智能设计育种团队的一群年轻人，正在为这些数据设计算法和模型。

“通过开发数量遗传算法，帮助育种家们在众多的表型数据中挖掘出有价值的遗传材料资源。通过大数据和人工智能结合，还可以帮助育种家们预测后代的表型，以此为参照，进行育种方案的设计。”团队成员何坤辉介绍，“简单来说，就像是一个解方程的过程，我们把海量的数据代入现成的方程式，包括作物的表型数据、环境参数等，以此计算出结果，在众多的结果中分析寻找最好的那一种可能。”

该团队博士后陈守坤告诉《中国科学报》，他所在的团队集合了育种、分子生物学、计算机等多个专业的人才，是一个多学科交叉的团队。“就和我们团队一样，智慧育种的时代，育种本身就已经成为了一个多学科交叉的领域。”

彭军告诉《中国科学报》，南繁院成立两年多以来，已经集聚了15个团队，160多位科研人员，未来，更多领域的研究者在不断加入南繁院的科研队伍，智慧育种的未来并不遥远。

“南繁院更是我国农业科研推进国际合作的桥头堡，未来将集聚国际优势创新资源，打造国际种业科技创新高地，促进水稻、玉米、小麦等产业可持续发展，共同维护世界粮食安全。”彭军说。