Field Crop Res | 中国热科院甘蔗中心发布甘蔗智慧育种的全新架构

近日，中国热带农业科学院/热带生物技术研究所甘蔗研究中心在“国家热带农业科学中心科技创新团队”和“热带作物生物育种全国重点实验室科研项目”等专项资助下，研究并发布了甘蔗智慧育种的全新架构。相关研究成果以Digital evolution and twin miracle of sugarcane breeding为题发表在农林科学领域国际权威期刊FieldCrops Research（中科院一区TOP，IF=5.6）上。

论文聚焦由人工智能、区块链和数字孪生技术驱动的甘蔗智慧育种系统（图1）。一方面介绍了甘蔗育种面临的挑战以及该系统的革命性架构设计，包括利用人工智能进行甘蔗性状的精准预测和优化，通过区块链技术确保育种数据的安全性和可追溯性，以及运用数字孪生技术实现育种数据的实时共享。该系统强调了三层架构的构建：物理层、网络层和人类层，并详细探讨了这些层次在提升育种效率和可靠性方面的协同作用。另一方面，深入讨论了该系统在缩短育种周期、提高育种效率、确保数据完整性和安全性等方面的实际应用效果，并指出了甘蔗智慧育种系统在克服传统育种方法局限性和实现育种体系可持续/可拓展方面的潜力。有望为人工智能、区块链和数字孪生技术在农业育种中的应用提供理论参考和实践指导，有助于促进智能技术与农业育种的深度融合，推动甘蔗育种的发展。

图1 甘蔗智慧育种概念图

智慧育种是融合了人工智能、大数据、基因工程等前沿技术的一种新型育种方式（图2）。传统的甘蔗育种主要依赖杂交育种和分子育种，虽然取得了一定的成功，但也存在育种周期长、成本高、程序复杂等难题。文章通过引入革命性的甘蔗智慧育种系统架构，目标是实现对甘蔗育种全过程的智能化管理。

图2 人工智能、区块链和数字孪生驱动的甘蔗智慧育种系统架构

文章构想了一个由人工智能、区块链和数字孪生驱动的甘蔗智慧育种系统架构（图3），并以人机物融合系统（Human-Cyber-Physical System，H-CPS）为基础，它包括三个层次：（1）物理层：由地面传感器、无人机、机器人和通信设备等组成，用于收集育种环境数据、甘蔗表型数据等；（2）网络层：包括云服务器、5G网络、区块链、人工智能和数字孪生。物理层数据在此通过人工智能模型进行分析，以提供产量估算、病害检测、表型预测、优异种质资源选择、育种改良决策等服务；数字孪生模型通过虚拟现实技术实现育种数据的流通；区块链保障数据资产的安全性和可追溯性；（3）人类层：育种者通过数字孪生为系统提供额外的数据和专业知识，提升人工智能模型的可靠性。在H-CPS架构下的这种协作，能够显著提升甘蔗育种效率。

图3 人工智能驱动下的甘蔗育种数据分析

在所提出的智慧甘蔗育种系统中，育种工作主要包括四个关键步骤：（1）数据采集：通过传感器、无人机、机器人等设备，实时采集甘蔗的表型、基因型和环境数据。人工智能算法实时监控数据的质量，确保数据的准确性和可靠性；（2）数据分析：使用人工智能模型对采集的数据进行分析，揭示基因与性状之间的联系，辅助育种者选择优良品种。通过分析表型数据，人工智能可以构建甘蔗性状预测模型，快速筛选出具有高产、高糖、抗病、抗逆和宜机性状兼具的优良甘蔗品种（图3）；（3）数据存储：将采集到的育种数据存储在区块链上，保证数据的安全性和完整性。育种过程中的每一步操作都在区块链上进行记录，实现了育种数据的全程可追溯；（4）数据流通：数字孪生技术实现了数据的实时循环和可视化。育种者可以通过数字孪生平台与人工智能模型进行交互，实时模拟甘蔗生长状态，优化育种决策（图4）。

图4 数字孪生驱动下的甘蔗育种数据流通

中国热带农业科学院热带生物技术研究所特聘研究员/福建师范大学副教授汪晓丁为第一作者；热带作物生物育种全国重点实验室/中国热带农业科学院甘蔗研究中心主任/热带生物技术研究所/福建农林大学阙友雄研究员为该论文的通讯作者。中国热带农业科学院吴期滨副研究员、闽江学院杨旭副教授、澳大利亚墨尔本维多利亚大学杨学超老师、澳大利亚皇家墨尔本理工大学理学院Xun Yi教授和Ibrahim Khali教授参与研究；福建师范大学在读硕士研究生曾海涛参与论文撰写和修改。该研究得到中国热带农业科学院国家热带农业科学中心科技创新团队、热带作物生物育种全国重点实验室科研专项、中央公益性科研院所基本科研业务费、国家重点研发计划以及国家糖料产业技术体系的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.fcr.2024.109588