以下文章來源于35斗 ，作者：徐云碧

      近日，中原農(nóng)谷·2023國際未來農(nóng)業(yè)食品百強(qiáng)大會成功舉辦。分子育種踐行者、中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所/北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院研究員徐云碧出席活動，并作《環(huán)境組學(xué)與智慧育種》主旨報告，本文根據(jù)相關(guān)分享整理。

      嘉賓簡介

      徐云碧，華中農(nóng)學(xué)院學(xué)士（1982）、浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士（1985）和博士（1993）。現(xiàn)任中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員、國家特聘專家、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院資深研究員。他有一個特別的微信昵稱“分子育種踐行者”。

      徐云碧長期從事植物分子育種研究，致力于建立和發(fā)展分子育種的理論、技術(shù)、平臺和應(yīng)用體系，發(fā)展了基于種子DNA的基因型分析方法、連鎖-連鎖非平衡聯(lián)合作圖法、選擇性混合樣品分析法、多雜種群體全基因組關(guān)聯(lián)分析法、全基因組選擇育種策略、高密度SNP芯片、玉米單倍型圖譜、靶向測序-液相芯片檢測技術(shù)，在國際上倡導(dǎo)了環(huán)境型鑒定新概念和基因型-環(huán)境型集成預(yù)測育種新策略。著有專著《分子數(shù)量遺傳學(xué)》和Molecular Plant Breeding。在國內(nèi)外知名期刊上發(fā)表論文160余篇，研究論文累計引用16000余次，H指數(shù)為59。主講“數(shù)量遺傳學(xué)”、“分子植物育種（中英文）”和“科技英語寫作”等本科生和研究生課程。

       一、環(huán)境組學(xué)是高效表型預(yù)測和作物改良的關(guān)鍵

      最近，智慧農(nóng)業(yè)比較熱門，我在這里也給大家分享一下環(huán)境大數(shù)據(jù)（也就是環(huán)境組學(xué)）和智慧育種的關(guān)系。

      育種經(jīng)歷了4個發(fā)展階段，從經(jīng)驗(yàn)選擇育種到雜種優(yōu)勢育種，再到生物工程(分子)育種，如今已發(fā)展至4.0時代：智能設(shè)計育種。

      有人說，發(fā)達(dá)國家和國際跨國公司的種業(yè)處于3.0和4.0之間，我國大部分種業(yè)企業(yè)還處于2.0—3.0的階段。去年我在參加《石時之約》節(jié)目時也提到，國內(nèi)分子育種產(chǎn)業(yè)鏈尚不完整，未來幾年是關(guān)鍵發(fā)展階段，值得期待。

      在育種史上有三個重要概念，基因組學(xué)（Genomics）代表基因遺傳的方面；表型組學(xué)（Phenomics）代表基因與環(huán)境作用之后所表現(xiàn)的現(xiàn)象；環(huán)境組學(xué)（Enviromics）則是有關(guān)影響生物遺傳發(fā)育的所有環(huán)境因子。對應(yīng)的，作物育種應(yīng)用也就有了從形態(tài)鑒定到組學(xué)，再到泛基因?qū)W的一系列演變。

      在過去很長一段時間，我們對環(huán)境因子視而不見，把它當(dāng)作一個黑箱。但表型是由基因型和環(huán)境共同作用的結(jié)果，精確測定和評價影響作物生長發(fā)育的所有環(huán)境因子是未來高效表型預(yù)測和作物改良的關(guān)鍵。

      基于長期研究積累，2016年，我在國際上首次提出了環(huán)境型(envirotype) 和環(huán)境型鑒定的概念，引發(fā)了國內(nèi)媒體的廣泛報道。同時，國際學(xué)界也把環(huán)境型鑒定和轉(zhuǎn)基因、基因編輯等非常重要的概念并列，使之成為20世紀(jì)90年代以來7個影響作物遺傳改良的重要概念之一。

      環(huán)境型是影響作物生長發(fā)育的所有環(huán)境因子的組成和變異，環(huán)境型鑒定是對所有環(huán)境因子的組成和變異進(jìn)行精確的測定和評價。土壤、氣候、作物伴生生物、作物管理等都屬于影響植物發(fā)育的外部環(huán)境因子。近年來，世界各地都在發(fā)展表型鑒定的平臺，如荷蘭的植物生態(tài)表型鑒定中心（NPEC）、在武漢建設(shè)的國家作物表型組學(xué)研究（神農(nóng)）設(shè)施，這些平臺均十分重視環(huán)境因素的檢測及控制。

      從單一表型、多表型到基因型輔助的多表型，再到基因型輔助的跨環(huán)境多表型，最終發(fā)展到基因型輔助的跨環(huán)境和時間序列的多重表型，環(huán)境因素的納入，使得植物遺傳改良發(fā)展實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)、線、面到三維乃至更多維度的跨越?？紤]環(huán)境讓您的人生多一個緯度；考慮環(huán)境讓您的論文提升五個影響因子。

       二、環(huán)境組大數(shù)據(jù)在智慧育種重中的應(yīng)用

      環(huán)境組大數(shù)據(jù)在智慧育種中有著廣泛的應(yīng)用。

      例如，控制試驗(yàn)環(huán)境提高遺傳率估值；近等環(huán)境（NIE）抗逆評價、選擇和育種；多環(huán)境測試和聯(lián)合區(qū)域試驗(yàn)及其優(yōu)化；全球和區(qū)域性農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測；品種適應(yīng)性和區(qū)域化、生態(tài)區(qū)域劃分；利用環(huán)境信息優(yōu)化育種模型、提升預(yù)測育種效率；環(huán)境大數(shù)據(jù)與智能設(shè)計育種等等。

      2018年，我開始關(guān)注大數(shù)據(jù)與智慧育種問題。在我看來，智慧育種包括三大要素：大數(shù)據(jù)、人工智能和機(jī)器人。大數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，但必須通過人工智能來進(jìn)行處理和分析，機(jī)器人則是其最終實(shí)現(xiàn)智慧育種的路徑。不僅是智慧育種，對于所有AI驅(qū)動的產(chǎn)業(yè)而言，這三方面都尤為關(guān)鍵。

      我認(rèn)為，人工智能主要從四個方面推動作物育種變革：

      一是促進(jìn)作物育種從經(jīng)驗(yàn)型到理論-實(shí)踐型轉(zhuǎn)變；二是機(jī)器人將大大提升育種過程的自動化程度；三是育種家經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)知識將反過來推動人工智能育種系統(tǒng)的升級；四是大數(shù)據(jù)和人工智能驅(qū)動的育種系統(tǒng)將通過模型模擬和優(yōu)化形成強(qiáng)大的設(shè)計和預(yù)測能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)測育種。

      其中，設(shè)計育種主要在兩個層面進(jìn)行。微觀上，對基因、代謝途徑、遺傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計，來提高所有相關(guān)基因效率；宏觀上，對個體（作物理想型）、群體（如玉米高產(chǎn)群體）、物種（如多年生禾谷類作物和節(jié)水抗旱稻）進(jìn)行設(shè)計。

      從預(yù)測的角度看，要構(gòu)建預(yù)測的模型，也需要通過基因型+環(huán)境+基因型X環(huán)境的互作，來增加模擬育種的能力。這時，環(huán)境不再是一個隱含的變量，而是一個真實(shí)的存在，G（基因）、P（表型）、E（環(huán)境）這三個重要方面要形成閉環(huán)。

      三、未來的育種機(jī)器人

      大家知道，AlphaGo是第一個擊敗人類職業(yè)圍棋選手、第一個戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍的人工智能機(jī)器人。那么，人工智能是否可以取代育種家呢？

      十年前，我們的答案是否定的。育種相關(guān)的基因數(shù)量巨大，這些基因構(gòu)成復(fù)雜的代謝途徑和基因網(wǎng)絡(luò)，各自本身及其相互之間存在各種復(fù)雜的互作，育種家的經(jīng)驗(yàn)和知識似乎是不可取代的。但在大數(shù)據(jù)、人工智能的潮流之下（如Chat GPT的火爆），未來也可能出現(xiàn)每一個作物單獨(dú)的GPT（Generative Pre-Training），這些GPT可以積累大量的育種數(shù)據(jù)，用以優(yōu)化智能育種模型。

      今后，育種家在育種的同時也將從事標(biāo)數(shù)據(jù)的工作，而育種機(jī)器人則承擔(dān)創(chuàng)造變異、觀測鑒定、信息分析、輔助決策等功能。

      未來的育種也會發(fā)生另一項(xiàng)非常深刻的變化。眾所周知，大規(guī)模商業(yè)育種項(xiàng)目通常是一個協(xié)調(diào)的育種項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)，公司內(nèi)部可以形成良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)育種程序的高效化。而對于發(fā)展中國家和中小公司，采取開源育種（Open-source breeding）的方式，大量中小型公司聯(lián)合起來進(jìn)行數(shù)據(jù)、信息、資源的共享，能夠相互促進(jìn)并加快育種各自的育種步伐，提高育種效率。

      到最后，所有的智能育種會把有利的基因和基因型、有利的等位基因和單倍型、特定的基因組區(qū)域、優(yōu)化的基因網(wǎng)絡(luò)等整合在一起形成改良的群體和產(chǎn)品。

      最后，我們展望一下，育種將會在環(huán)境組學(xué)與智慧育種技術(shù)的推動下，變得更加數(shù)據(jù)化、智能化、流程化，從而更加高效和高產(chǎn)。未來，育種家將協(xié)同利用大數(shù)據(jù)、人工在智能和機(jī)器人，推動種業(yè)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，同時催生更多的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)機(jī)會。