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遗传发育所许操研究组发布机器人育种家“吉儿”系统

来源：花匠小妙招时间：2025-10-16 02:04

2025年8月11日，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究员带领的智能育种攻关团队在Cell发表了题为Engineering crop flower morphology facilitates robotization of cross-pollination and speed breeding的研究论文。该研究将BT(生物技术)+AI(人工智能)深度融合，首次提出作物-机器人协同设计(Crop-robot co-design)的“双向奔赴”理念，通过基因编辑重新设计作物花型，快速精准创制“机器人友好”的结构型雄性不育系，运用深度学习和人工智能成功研制世界首台可自动巡航杂交授粉的智能育种机器人“吉儿”GEAIR(Genome Editing combined with AI-based Robotics,GEAIR)，打破杂交育种和制种瓶颈，大幅降低育种成本、缩短育种周期、提高育种效率。该研究开辟了“BT筑基+AI赋能+机器人(Robot)劳作”的智能育种(BAR)模式，在生物育种范式革新和催生新质生产力方面展现了“AI for Science”的重大应用前景。

杂种优势利用提高作物单产保障粮食安全做出重大贡献。2024年全球杂交种子市场规模达3830亿元，预计到2029年将达到5904亿元；2024年全球番茄杂交种市值为85.4亿元，预计到2030年将达到150.5亿元。但杂交育种和制种的高成本和低效率成为制约杂种优势利用的重要瓶颈。以番茄为例，绝大部分商业种均为杂交种，但因柱头内缩的闭合花型，全球番茄杂交育种和制种至今仍完全依赖人工进行杂交授粉，这项工作的人力成本已占番茄总育种成本的25%以上，仅人工去雄一项就占番茄杂交授粉成本的40%；随着人口老龄化，杂交制种的人工成本逐年升高。更为重要的是，一些花型闭合的作物因杂交制种成本过高，至今仍无法利用杂种优势。大豆杂交种有30%以上的增产潜力，但大豆花高度闭合，杂交授粉操作极其困难，无法进行杂交制种。柱头外露的结构型雄性不育系可免除上述操作，一直是杂交育种和制种梦寐以求的性状。

许操研究员带领的智能育种攻关团队另辟蹊径，使用基因编辑靶向番茄花器官ABC模型基因中特异调控雄蕊发育的MADS-box基因GLO2，使原本闭合的雄蕊开裂而花粉败育，柱头无需伸长便可自然外露，成功创制结构型雄性不育系，且不影响杂交果实产量和种子质量，结束了番茄育种长期缺乏柱头外露型雄性不育系的历史，该技术摆脱了遗传背景限制，具有普遍适用性。

许操研究员与中国科学院自动化所的杨明浩副研究员带领的团队合作，研发了智能授粉机器人并在商业化生产温室稳定运行，柱头识别准确率可达85.1%，每授粉一个花朵仅耗时15秒，单次巡航授粉实现了77.6% ± 9.4%的成功率，且机器人可以全天候不间断进行反复巡航自动杂交授粉以确保每朵花成功授粉坐果。“吉儿”机器人的零部件国产化自主率已达95%以上，整机成本极具应用前景。

研究人员进一步将“吉儿”机器人与许操研究员团队于2018年创建的“从头驯化(de novo domestication)”育种技术以及“快速育种(Speed breeding)”技术结合，建立了智能育种工厂(Breeding factory)，使得近缘野生种的育种利用周期由原来的5年缩短为1年且节省人工，释放了作物野生近缘种在提升栽培种抗逆和口感特性的育种潜力，可批量快速培育风味浓郁的口感番茄和抗逆丰产的优质番茄新种质。为突破杂交授粉成本过高导致大豆杂种优势无法应用的难题，研究人员将“吉儿”系统应用于大豆，首次实现结构型大豆雄性不育系快速创制，使用该不育系可节省76.2%人工授粉操作时间，有望为我国率先突破大豆杂交育种，大幅提高单产，提供新一代智能育种技术和智能装备。

上述结构型雄性不育系创制技术和智能育种机器人相关技术已申请国家专利和PCT国际专利，许操研究员带领的智能育种攻关团队正在将“育种-生产-采收-追溯”全产业链进行BT+AI融合，研发机器人育种家“吉儿2.0版”，并将结构型雄性不育系拓展应用于不同作物。

中国科学院遗传发育所许操研究员为该论文的通讯作者，博士研究生谢跃、张廷浩和自动化研究所副研究员杨明浩为论文的共同第一作者。上海交通大学连文昭教授，清华大学陶建华教授，自动化所韩华研究员，遗传发育所邹玉盼博士，自动化所研究生吕鸿昌、孙杨昌、肖俊也参与了该研究。遗传发育所张凤霞博士和许操课题组陆叶子、张馨瑜、吕玉源等成员，以及自动化所齐靖达、王金阳、肖志纲、刘安琪，首农翠湖工厂李新旭、李树山、王利利等对该研究提供了重要支撑和帮助。该研究得到了农业农村部重大项目、中国科学院战略先导专项、国家自然科学基金、北京市智能温室蔬菜创新团队项目等项目的资助。