走進(jìn)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)前沿交叉研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“交叉研究院”）的溫室，一排排正在生長(zhǎng)的水稻、大豆、小麥萌發(fā)勃勃生機(jī)。與眾不同的是，這些作物“頭頂”，架設(shè)著一套特殊的探測(cè)器，它一邊移動(dòng)，一邊將作物生長(zhǎng)的信息拍攝下來(lái)?？蒲腥藛T再利用人工智能等技術(shù)分析這些信息，破解作物生長(zhǎng)的奧秘。

“葉片長(zhǎng)寬、顏色等結(jié)構(gòu)和生理生化指標(biāo)，都是作物表型。研究表型與基因和環(huán)境之間的關(guān)系，可以篩選出人類(lèi)需要的優(yōu)異種質(zhì)資源，進(jìn)而培育優(yōu)良品種，例如高產(chǎn)、耐鹽堿品種?！?月19日，交叉研究院副教授金時(shí)超蹲在溫室中向記者介紹他們開(kāi)發(fā)的作物時(shí)空表型一體化觀測(cè)體系。

在他身邊，是正在運(yùn)行的“種子萌發(fā)表型監(jiān)測(cè)平臺(tái)”。該平臺(tái)上擺放了浸泡在兩種不同鹽濃度下的20個(gè)水稻品種的3000粒種子，可根據(jù)試驗(yàn)要求自動(dòng)設(shè)置采集發(fā)芽率、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)的時(shí)間及頻次。在過(guò)去的3個(gè)月里，該平臺(tái)已分批次成功采集了300個(gè)品種的種子發(fā)芽動(dòng)態(tài)表型數(shù)據(jù)。

2024年以來(lái)，南農(nóng)已經(jīng)與8家企業(yè)簽署“表型組學(xué)”相關(guān)的技術(shù)轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，幫助對(duì)方記錄作物表型，篩選優(yōu)良品種，全年成果轉(zhuǎn)化累計(jì)簽約金額約3800萬(wàn)元，累計(jì)創(chuàng)造上億元生產(chǎn)價(jià)值。

表型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在監(jiān)測(cè)大豆生長(zhǎng)。金時(shí)超供圖

8年攻關(guān)為植物作動(dòng)態(tài)畫(huà)像

“不同品種的水稻，產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性都不一樣。哪些表型可以表征品種之間的差異，這些差異背后的調(diào)控機(jī)制是什么，都是表型研究的重要方向?！痹诮徊嫜芯吭旱臏厥遥饡r(shí)超指著正在發(fā)芽的水稻表型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向記者介紹。

在溫室一角，一株盆栽的大豆被擺放在一個(gè)特殊的“體檢艙”里。大豆上方，則搭建有一條滑軌，載著一個(gè)機(jī)頂盒大小的“植物三維重建與表型監(jiān)測(cè)平臺(tái)”，系統(tǒng)下方則固定著兩臺(tái)微型相機(jī)。隨著系統(tǒng)在滑軌上移動(dòng)，相機(jī)開(kāi)始拍不同角度的小麥。不久后，這些拍攝的畫(huà)面在電腦里生成一幅大豆的“數(shù)字孿生圖”。不同生長(zhǎng)期的大豆葉片顏色、紋理、株高、冠幅、葉面積指數(shù)、葉傾角分布、生物量等指標(biāo)都將根據(jù)小麥真實(shí)的生長(zhǎng)情況建模。

“在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們?cè)偈┘硬煌墓鈴?qiáng)、溫濕度、栽培技術(shù)，就可以模擬在真實(shí)農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中的作物長(zhǎng)勢(shì)，從而篩選高產(chǎn)品種，比如耐密植大豆品種?！苯饡r(shí)超說(shuō)，目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)生成了2000多株大豆和1600多株水稻的數(shù)字孿生圖。

表型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在監(jiān)測(cè)大豆生長(zhǎng)。金時(shí)超供圖

眼前的這些作物表型監(jiān)測(cè)設(shè)備，已是歷時(shí)8年，迭代了多次的4.0版本?！拔覀兿聸Q心要推動(dòng)植物表型組學(xué)系列設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)搭建、模型構(gòu)建等全面自研的進(jìn)度?！蹦限r(nóng)植物表型組學(xué)交叉研究中心首席科學(xué)家丁艷鋒教授表示。

8年間，交叉研究院植物表型教育部工程研究中心的一支平均年齡不超過(guò)40歲的科研團(tuán)隊(duì)，連續(xù)攻克了植物表型研究的目標(biāo)定位、性狀提取、變化監(jiān)測(cè)和交叉應(yīng)用的等一系列關(guān)鍵技術(shù)難題。這些技術(shù)有效提高了傳統(tǒng)人工調(diào)查的精度、效度及效率，也為新性狀的發(fā)掘提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

如今，科研人員可以輕便地將4.0版植物表型設(shè)備帶到田間地頭，用于觀察植物長(zhǎng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)單株檢測(cè)，進(jìn)行多尺度三維表型提取，預(yù)測(cè)種子發(fā)育情況。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物表型組學(xué)交叉研究中心。金時(shí)超供圖

建成多個(gè)全球最大AI表型數(shù)據(jù)集

隨著技術(shù)裝備的不斷迭代，其觀測(cè)領(lǐng)域愈發(fā)廣泛。“目前，除主要糧食作物以外，植物表型監(jiān)測(cè)裝備已經(jīng)可以分析花卉、蔬菜、果樹(shù)、牧草等經(jīng)濟(jì)作物。”盛馨舉例，在大豆育種領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)基于三維數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，構(gòu)建了大豆葉柄和冠層輪廓等表型提取算法，實(shí)現(xiàn)了大豆耐密植新性狀發(fā)掘和優(yōu)異資源鑒定。在水稻栽培領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了三維光截獲模擬算法，揭示了水稻理想株型品種的光截獲新規(guī)律，提供了理想株型定量評(píng)價(jià)的新方法。

“新技術(shù)就像記錄人的高矮胖瘦一樣，為我們記錄每一株大豆的株型緊湊程度提供了可能，為耐密植大豆優(yōu)異種質(zhì)資源鑒定提供了新手段?！蹦限r(nóng)國(guó)家大豆改良中心副教授張焦平說(shuō)。

有了全球領(lǐng)先的表型組學(xué)設(shè)備的數(shù)據(jù)，前沿交叉研究院的生物信息學(xué)中心，也成為數(shù)據(jù)分析演算的“寶藏機(jī)構(gòu)”。

盛馨介紹，中心依托生物信息學(xué)省級(jí)重點(diǎn)學(xué)科，瞄準(zhǔn)基因組學(xué)前沿建立了一套完整的高通量數(shù)據(jù)產(chǎn)生、分析體系，構(gòu)建了開(kāi)放共享的生物信息分析平臺(tái)，從事生物信息學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、人工智能及大數(shù)據(jù)的理論、方法的研究，為可交互的軟件平臺(tái)和大數(shù)據(jù)分析提供大量服務(wù)。

“目前該平臺(tái)具備每秒1.003×101?次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的能力，200多個(gè)專(zhuān)業(yè)分析軟件，3000多用戶(hù)，年度平均算力資源使用率約95%?！笔④罢f(shuō)。

借助生物信息學(xué)中心的縝密運(yùn)算，2024年10月，南農(nóng)滕年軍教授團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜公布世界上首個(gè)正式報(bào)道的超大植物基因組——百合高質(zhì)量染色體級(jí)別基因組。

盛馨介紹，目前生物信息學(xué)中心還成功集成了小麥、大豆、梨樹(shù)、菊花等多個(gè)全球最大AI表型數(shù)據(jù)集等一大批農(nóng)業(yè)生物基礎(chǔ)性戰(zhàn)略數(shù)據(jù)資源，為智慧農(nóng)業(yè)育種搭建了高效安全的平臺(tái)。

跨界融合推動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)程

手握研究“利器”，坐擁研究數(shù)據(jù)，如何讓躺在實(shí)驗(yàn)室的成果指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，成為南農(nóng)前沿交叉研究院又一個(gè)使命。

2024年12月，合肥科晶生物技術(shù)有限公司與南農(nóng)合作共建“AI生物模型產(chǎn)業(yè)研究院”項(xiàng)目正式簽約。

“希望我們圍繞AI大模型+生物大數(shù)據(jù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程展開(kāi)合作，建立以生物數(shù)據(jù)集成、存儲(chǔ)、分析為核心的智能化平臺(tái)，構(gòu)建覆蓋數(shù)據(jù)采集到AI建模的全產(chǎn)業(yè)鏈體系?！焙戏士凭锛夹g(shù)有限公司董事長(zhǎng)朱也對(duì)合作充滿(mǎn)期待。

今年以來(lái)，南農(nóng)還相繼與南京江北新區(qū)生物醫(yī)藥公共服務(wù)平臺(tái)、南京溧水區(qū)、衛(wèi)崗乳業(yè)等多家單位開(kāi)展全面戰(zhàn)略合作，打通農(nóng)業(yè)與健康前沿領(lǐng)域科技成果“發(fā)現(xiàn)、驗(yàn)證、轉(zhuǎn)化、應(yīng)用”全鏈條，打造高?？萍汲晒D(zhuǎn)化和交叉復(fù)合型人才培養(yǎng)新樣板。

如今，在田間地頭“解剖”植物生長(zhǎng)密碼的南農(nóng)表型組學(xué)裝備，即將迎來(lái)5.0版本，金時(shí)超說(shuō)，表型觀測(cè)將與通用智能和低空經(jīng)濟(jì)深度融合，采用多智能體組網(wǎng)協(xié)作模式，實(shí)現(xiàn)跨時(shí)空感知、決策和執(zhí)行，這將推動(dòng)作物時(shí)空表型組學(xué)理論與方法的發(fā)展，賦能農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

“我們希望以推動(dòng)優(yōu)質(zhì)學(xué)科深度交叉融合為催化劑，以服務(wù)健康中國(guó)戰(zhàn)略和農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)建設(shè)的歷史契機(jī)，推動(dòng)原始創(chuàng)新和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，深耕前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究，聚力行業(yè)共性技術(shù)研發(fā)，統(tǒng)籌推進(jìn)教育科技人才科研協(xié)同發(fā)展，為強(qiáng)國(guó)建設(shè)和未來(lái)農(nóng)業(yè)、大健康發(fā)展提供強(qiáng)有力的科技和人才支持，彰顯高質(zhì)量發(fā)展支撐力?！蹦限r(nóng)校長(zhǎng)陳發(fā)棣表示。

【科技日?qǐng)?bào)】為植物作“動(dòng)態(tài)畫(huà)像”，破解“隱藏的密碼”

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