在農(nóng)作物育種加速器中，工作人員正在為番茄修剪枝葉。
 

　　在北京市通州區(qū)于家務(wù)回族鄉(xiāng)的北京通州國際種業(yè)科技園區(qū)里，坐落著一座帶有些許神秘色彩的建筑。這幢外表看起來極為普通的二層樓房連通著一旁的玻璃溫室，有著一個科技感十足的名字——農(nóng)作物育種加速器。在這里，玉米、大豆、水稻、小麥、番茄等農(nóng)作物被栽種在盆里，光照、溫度、水分、養(yǎng)分、空氣均可調(diào)節(jié)，它們將在這里開啟加速模式，用比外界快2~3倍的速度生長、結(jié)果、結(jié)種。當農(nóng)作物按下育種“加速鍵”，它們的生長環(huán)境將面臨哪些改變？又將給育種行業(yè)帶來怎樣的變革和機遇？

 

　　走進農(nóng)作物育種加速器，一個個獨立小房間整齊排列。這里是全人工光生長室，玉米植株在架子上身姿挺拔，葉片舒展；小麥苗在盆中挨挨擠擠，生機勃勃。不同作物分住在不同“小單間”，享受著專屬培育環(huán)境。

 

　　北京通州國際種業(yè)科技有限公司項目經(jīng)理趙小翠告訴記者，當前育種研發(fā)主要依靠異地加代或溫室加代繁育，能把常規(guī)育種從一年1~2代提升至一年2~3代，但選育一個品種仍需6~8年甚至更久，育種周期長仍是制約育種研發(fā)的主要因素。“農(nóng)作物育種加速器可精準調(diào)控環(huán)境，為作物打造最適宜的生長空間，加快繁育進程，實現(xiàn)每年4~7代繁育，將育種周期縮短2~3倍，有效破解這一卡脖子難題。”趙小翠說。

 

　　農(nóng)作物育種加速器如何精準調(diào)控作物生長環(huán)境？趙小翠介紹，光照、溫度、水分、養(yǎng)分和空氣，是作物快速生長結(jié)實的關(guān)鍵。育種加速器配有5通道的人工光，能按照作物品種差異、光照需求精準配光；溫度可在2至38攝氏度精準調(diào)節(jié)；空氣濕度在50%至80%范圍內(nèi)靈活調(diào)控；土壤濕度與營養(yǎng)養(yǎng)分通過水肥一體化系統(tǒng)“按需喂養(yǎng)”；新風系統(tǒng)、二氧化碳供應(yīng)系統(tǒng)可為作物光合作用與生長所需氣體提供充足支持。

 

　　除了全人工光生長室外，農(nóng)作物育種加速器還建有面積約5200平方米的玻璃溫室加代室。在這里，作物們擁有更為寬敞的“居住空間”，還能盡情享受“日光浴”。一旦遭遇天氣不佳的狀況，室內(nèi)的人工補光系統(tǒng)便會啟動，為作物補充充足光照，確保其始終保持良好的生長狀態(tài)。

 

　　在趙小翠眼中，農(nóng)作物育種加速器宛如一個精心搭建的“育種王國”，自然界中存在的環(huán)境條件，這里能夠完美復(fù)刻；自然界缺失的特殊環(huán)境，也能憑借技術(shù)手段創(chuàng)造出來。

 

　　自去年9月建成投用以來，農(nóng)作物育種加速器已與中國農(nóng)業(yè)科學院、北京市農(nóng)林科學院等10多個育種團隊合作，圍繞玉米、大豆、小麥、水稻、芝麻菜等12種作物的200多個品種，開展快速育種聯(lián)合試驗。目前，加速器內(nèi)正在進行種質(zhì)材料快速擴繁、育種材料早代選擇、生物性狀和基因編輯材料的快速培育和回交等育種實驗。短短5個多月，多數(shù)品種已順利完成兩個代次繁育。

 

　　北京市農(nóng)林科學院玉米研究所是首批入駐農(nóng)作物育種加速器的科研團隊之一，該所研究員王鳳格表示，在全封閉的加速器環(huán)境開展玉米育種，讓育種環(huán)境的可控性得到了質(zhì)的提升。“傳統(tǒng)育種對氣候條件依賴嚴重，只有環(huán)境適宜，才能啟動種植工作?？梢坏┰庥雠_風這類異常天氣，玉米生長受阻，實驗往往只能宣告失敗。”王鳳格說。

 

　　當環(huán)境風險被有效控制，科研人員就可以心無旁騖地進行“萬里挑一”的關(guān)鍵工作——育種的分子選擇。王鳳格告訴記者，分子選擇實驗成本頗高，由于玉米植株存在較高的夭折風險，育種人員往往不會在早期階段進行大量分子輔助選擇。但如今，育種加速器為玉米生長筑起了安全屏障，育種人員得以在玉米苗期，甚至種子階段，就果斷開展分子篩選工作。入選的少量種子在加速器中都能安全走完整個生命周期，助力培育出更為優(yōu)良的玉米品種。

 

　　育種周期的顯著縮短，也令科研人員們興奮不已。走進大豆快速加代育種實驗室，繁茂葉片之下，一串串飽滿的豆莢掛在枝頭。“我們專注于大豆營養(yǎng)改良方向的育種工作，這批材料于去年12月底完成種植，預(yù)計三個半月便可收獲。”中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所大豆高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種研究組副研究員張晟瑞介紹。

 

　　借助育種加速器進行加代繁育，突破了傳統(tǒng)大豆生長周期的時間限制，在人工調(diào)控光照、溫度及生長環(huán)境的條件下，大豆生育期成功重120天縮短到90天，實現(xiàn)了全年不間斷加代繁育，以往傳統(tǒng)育種方式下5年才能獲得的育種材料，如今僅需2年就能獲得。此外，雙方團隊正通過優(yōu)化光周期、溫控及營養(yǎng)供給等實驗參數(shù)，嘗試將大豆單代成熟周期壓縮至60天內(nèi)，以構(gòu)建一年4~5代的高效迭代體系，進一步壓縮育種時間窗口。

 

　　張晟瑞指出，農(nóng)作物育種加速器依托精準化管理，大幅提高了育種材料的存活率，顯著壓縮了育種周期。在同樣時間內(nèi)，能篩選出更多優(yōu)質(zhì)品種，增強國產(chǎn)大豆品種的市場競爭力，扭轉(zhuǎn)大豆育種的整體局面。

 

　　“育種加速器的出現(xiàn)，讓我們徹底告別了‘靠天育種’的被動局面，邁向‘設(shè)施育種’這一全新的育種時代。”王鳳格感慨道。

 

　　2011年7月，國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技城北京通州國際種業(yè)科技園區(qū)在于家務(wù)鄉(xiāng)掛牌成立。此后幾年，園區(qū)發(fā)展迅速，先后建成分子育種共性技術(shù)服務(wù)平臺，引入轉(zhuǎn)基因和基因編輯技術(shù)，搭建起農(nóng)作物育種加速器，極大地提升了育種的水平和效率。

 

　　但隨著全球氣候變化，干旱、洪水、高溫和寒潮等極端天氣頻繁出現(xiàn)，給農(nóng)作物的生長和品種培育帶來諸多挑戰(zhàn)。“氣候變化加大了對農(nóng)作物品種廣適性的要求，不僅要求在風調(diào)雨順時高產(chǎn)，在發(fā)生災(zāi)害時也要具備一定抗逆能力，還得適應(yīng)不同地區(qū)的環(huán)境。”趙小翠透露，目前，園區(qū)正在與中國農(nóng)科院作科所、中國農(nóng)業(yè)大學、騰訊社會價值、為村耕智等合作，建設(shè)作物逆境表型鑒定平臺與品種測試大模型，平臺預(yù)計今年下半年完工并投入使用。

 

　　作物逆境表型鑒定平臺堪稱育種版“模擬人生”。該平臺規(guī)劃了抗旱、高光效、節(jié)水肥、抗寒、耐熱、耐鹽堿、抗病等多個逆境表型鑒定功能區(qū)，科研人員能通過精準調(diào)控環(huán)境參數(shù)，模擬農(nóng)作物在現(xiàn)實中可能遭遇的逆境場景。同時，平臺配備的高通量表型數(shù)據(jù)采集及分析平臺，可實時監(jiān)測作物在不同逆境下的細微變化，如葉片的卷曲程度、顏色變化，植株的生長速度、果實產(chǎn)量等。通過人工智能與育種加速器、逆境表型鑒定深度融合，構(gòu)建具有神經(jīng)性自主算力的品種測試模型，將為這個“虛擬世界”賦予智能核心，為后續(xù)的品種選育及品種審定提供有力的數(shù)據(jù)支撐和模擬場景。

 

　　在張晟瑞看來，建立作物逆境表型鑒定平臺意義重大。“這不僅是應(yīng)對氣候危機的必要舉措，更是筑牢國家糧食安全根基的關(guān)鍵。目前，育種行業(yè)中作物逆境表型鑒定相關(guān)資源分散，技術(shù)標準不統(tǒng)一，且缺乏專業(yè)的第三方鑒定服務(wù)機構(gòu)。若能成功搭建這樣一個平臺，加速抗逆性狀的精準篩選，促進抗逆穩(wěn)產(chǎn)品種的選育。”張晟瑞說。