当前,人工智能等新一代信息技术迅猛发展,为我国智能育种技术发展带来新机遇,也为我国打赢种业翻身仗提供了新方法新手段。中国工程院院士、中国农业大学校长孙其信长期从事作物遗传育种研究。围绕我国智能育种技术发展的现状、挑战及前景,科技日报记者日前采访了孙其信院士。
记者:您多次谈到,人工智能等技术会推动农业科技和农业生产系统的革命性变化。人工智能会给育种带来哪些变革?
孙其信:人工智能将推动农业育种迈向一个全新智能化时代。人工智能技术与育种技术的结合将彻底改变传统农业生产方式,让育种更高效、精准、个性化。
我认为,变革主要体现在四个方面:加速育种进程、提高育种精确度、提供基于大数据的育种决策、降低商业化育种运营管理成本。
记者:人工智能如何加速育种进程?
孙其信:传统育种是一场“马拉松”,得靠育种家的经验和直觉,一步步创造、选择、固定那些好的遗传变异,才能培育出优质作物。这个过程,短则几年,长则十几年。
但人工智能就像个“超级大脑”,能把农业科学、计算机科学、生物信息学等领域的知识融合起来,快速处理和分析海量数据。以前我们得靠人工去田间地头观察记录一个个数据,而人工智能可以跟遥感技术、无人机、物联网设备等“科技帮手”一起,从田间到实验室,全方位收集和分析数据。这样就能更快找到与作物优良性状相关的基因,更迅速选择和利用优异遗传位点,大大缩短育种周期。
记者:怎样理解提高育种精确度?
孙其信:育种的本质就是对自然界中的优良基因变异进行聚合。这就像在大自然里“淘金”。人工智能如同给我们配了一副“超级眼镜”,让我们能看得更清楚、更准确。
通过机器学习、深度学习等技术,人工智能可以深度解读种质资源的“基因密码”。它不仅能分析出不同作物基因组的复杂结构,还能预测基因在不同环境下的表现,帮助科研人员更好地理解哪些基因能在特定环境中表现出最佳性状。然后,科研人员就能精准挑选出含有这些优良基因的育种材料,进行“定制式”育种,培育出抗病虫害、耐旱、耐盐碱、营养更丰富的作物品种。
记者:您能举一些人工智能助力育种决策的例子吗?
孙其信:人工智能可以通过分析大数据预测出育种环节中最优的杂交组合、最优的单株个体、最有潜力的后代,从而提高育种成功率。人工智能还能根据不同的具体需求,如市场需求、土壤条件、病虫害状况等,为农民或育种公司提供个性化育种建议,设计出最适合其生产环境的作物品种。
例如,全世界小麦有好几万个类型,怎么知道哪几种类型通过优化组合后能成为最优品种?我们团队构建了一个决策模型,通过分析田间小麦表现型数据,结合测定的2000份小麦基因组信息,以及关于小麦品质的各项指标,为育种决策提供支撑。
记者:人工智能如何推动商业化育种发展?
孙其信:商业化育种体系包括材料创制、杂交育种、分子检测、品种测试、品种评价等多个育种部门的多个技术环节。每个部门都需要不同专业背景的团队完成工作。因此,从公司运营的角度看,管理成本较高。
育种公司可以利用人工智能大模型,集成各个部门的标准化数据分析与操作流程,形成数据驱动、模型决策的智能育种技术体系。
记者:科学信息分析公司爱思唯尔日前发布的《全球高校与科研机构农业与生物科技创新贡献报告》显示,学科交叉是推动农业科研创新的三大因素之一。智能育种对学科交叉提出了哪些新要求?
孙其信:智能育种将生物技术、信息技术、人工智能、大数据和工程技术等多个学科深度结合,以应对复杂的农业问题,它从多方面对学科交叉提出了新要求。
首先是生物学与信息技术的深度结合。智能育种的核心在于处理大量基因组数据和作物表型数据,而这需要生物学与信息技术的紧密结合。传统育种主要依赖于基因组学、遗传学和植物生物学等领域的研究,智能育种则需要将这些生物学知识与大数据技术、计算机科学和生物信息学进行深度融合。
其次是人工智能与农业科学的结合。人工智能在智能育种中的应用越来越广泛,特别是在基因组选择、表型预测和育种方案优化等关键环节发挥着重要作用。人工智能技术可以用于分析海量农业数据,并通过模型预测作物在不同环境条件下的表现,为科研人员提供决策支持。
最后是物联网与传感器技术的结合。智能育种不仅依赖实验室数据,还需要土壤湿度、气温、光照强度等大量实时环境数据。这就要求物联网和传感器技术介入,在田间实时监测作物生长环境,并将这些数据反馈给科研人员。
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记者:如何培养智能育种人才?
孙其信:事实上,种业科技创新人才短缺,一直是制约我国种业自主创新的主要瓶颈之一。为加强智能育种人才培养,我认为要做好三方面工作。
首先,加强智能育种学科建设,设立生物技术、数据科学与遗传育种相结合的跨学科专业,加强人工智能辅修专业与第二专业的课程建设,培养具有多学科背景的复合型人才。中国农业大学除了布局直接与人工智能、大数据相关的专业之外,还实施“人工智能+”的专业升级。
其次,加强校企联合培养硕博研究生的专项工作,建立校企双导师制,企业导师提出明确的攻关需求并由企业提供科研经费,高校导师带领研究生有针对性地解决企业遇到的问题。
最后,优化智能育种领域的科研激励机制,为育种大模型、生物语言大模型等前沿研究提供充足研究经费,鼓励青年科研工作者率先开展智能育种相关科研项目。
不久前,中国农业大学举行了2024年度本科招生工作总结会,考生报考的第一大热门就是与人工智能信息技术、生物育种相关的专业。我相信,对农业教育领域的持续投入,将不断提升对科技创新的支撑力。
记者:具体来看,传感器技术研发人才的培养问题怎么解决?
孙其信:这确实是个关键问题。表型组技术就像是育种的“眼睛”和“耳朵”,它依靠各种高精尖的生物传感器、物联网技术、软件工程来实时捕捉动植物的外表特征、生理状态,然后及时反馈给科研人员。
然而,我国育种所依赖的表型组技术与国外先进水平相比还有不小差距,尤其是精密传感器的核心元件和算法方面仍存在短板。解决这个问题,需要加大专项财政经费投入,培养一批跨界高手,他们得既懂生物学,又精通计算机,还了解传感器,这样才能真正打破技术壁垒。
在项目立项上,要设立以需求应用为导向的智能育种表型组研发专项。同时,还要引导相关学科的设置调整与人才培养模式改革。
记者:您认为我国智能育种发展还面临哪些挑战?
孙其信:一是市场化程度有待提升。我认为,政府应加强引导,营造智能育种产业创新创业的友好环境。政府可以通过资金支持、税收优惠、风险投资引导等政策,鼓励科技人员在智能育种领域创业,为科研人员提供从研发到产品化的全流程支持,加速智能育种领域的创新成果进入市场。
二是育种数据共享平台建设尚不完善。各方应大力支持集成种质资源、基因数据、表型数据以及环境数据等,为育种大模型的预训练与智能决策模型研究提供丰富的“养料”。此外,育种大模型对算力的要求较高,各级政府应支持育种大模型专用的算力建设,保障智能育种技术体系构建。
三是基层科技人员专业化培训有待加强。田间测试的数据规范性、完整性与准确性,直接决定了构建育种模型的精度。高校等机构应开设数字种业研修班等课程,加强对基层科技工作者的继续教育与技能培训,提高基层工作者的专业素养。
来源 | 科技日报
图片 | 资料图片
编辑 | 候丁楠
责编 | 范晨辉 姜萍萍 吴笑含 杨雨睿 张舒然
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