机器人育种家“吉儿”给农作物“牵红线”

作物育种通过利用或创造遗传变异改良农艺性状（农作物在生长发育过程中展现出的生物学特征），以培育出优良农作物新品种。简单来说，就是使用科学手段让作物的优良基因实现优化重组。而杂交育种，就是通过人工杂交授粉的方式让不同作物品种“结婚”，然后“生出”更强壮、更高产的后代。但“乱点鸳鸯谱”，不是所有的作物都乐意接受。于是，科学家们做出这样的设想：有没有什么办法能让不喜欢“包办婚姻”的作物自己长出愿意“结婚”的花型？如果再来一个不知疲倦的机器“媒人”，那就更好了！

于是，机器人育种家“吉儿”（GEAIR）诞生了。

人工杂交授粉困境

像番茄和大豆这类自花授粉的作物，生来就不喜欢被强迫安排“婚姻”关系。拿番茄来说，它的雄蕊彼此紧密连接在一起，形成的雄蕊锥将雌蕊包裹在里面。想给番茄进行杂交授粉，需要熟练工人拿着小镊子，先轻轻依次剥开幼小花蕾的花瓣、雄蕊，再小心翼翼摘掉全部雄蕊，最后给雌蕊蘸上外来花粉——不夸张地说，整个过程比绣花还精细，而且还必须抢在花朵开放前的短暂窗口期完成，一旦授粉失败，前功尽弃。为了获得一粒高产、抗逆、口味佳的番茄种子，熟练工人需要进行大量重复的人工杂交授粉工作。如此耗时耗力，成本逐年升高，这导致一些潜力巨大的作物（如大豆）因为授粉难、人工授粉成本过高，至今无法大规模利用杂交育种优势。

打造育种理想花型

对于育种专家而言，梦寐以求的是柱头外露型雄性不育系，即雄蕊开裂不育，不会自花授粉；而柱头则自然伸出，方便接受外来花粉。过去，要得到这样的柱头外露型雄性不育系，只能依靠自然变异或大规模诱变筛选，效率极低。

那么有没有这样一种工具，能像我们平时在纸上修改文字那样在DNA上“做修改”呢？基因编辑技术就可以做到。以控制番茄雄蕊发育的SlGLO2基因来说，给这个基因动一个“小手术”，术后的番茄花雄蕊开裂不育，柱头自然外露。同时，植株株高、开花时间、果实大小和种子质量等其他性状几乎不会受到影响。

在此想法引导下，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究员团队将“改写”重点放在“只改变雄蕊”。经过多年的试验，团队发现，512个不同番茄品种都能通过同一个基因编辑方法实现理想花型的创制。不仅如此，研究团队还将这套方法推广到大豆上。通过大豆花发育ABC模型B类多基因编辑，首次成功创制了柱头外露型大豆雄性不育系。结果显示，这种“理想花型”能让人工授粉操作时间减少76.2%，大幅提高了大豆杂交育种和制种的可行性。

“吉儿”让农作物“优生优育”

有了适合机器操作的花型，那谁来当不知疲倦的“媒人”？

机器人育种家“吉儿”（GEAIR）。GEAIR的名字取自基因编辑（Genome Editing）+人工智能（AI）+机器人（Robots），是全球首台可以自动巡航、精准杂交授粉的智能育种机器人。

“媒人”工作流程

“吉儿”授粉过程分为3步

1

/ 找花 /

用1.28万张图像训练“吉儿”的神经网络YOLACT_Orient，经过深度学习，“吉儿”能够识别花朵并判断柱头的朝向，单帧分析只需0.06秒，准确率达82%。

2

/ 定位 /

通过伪双目测距和数学算法（SURF特征匹配与RANSAC算法），“吉儿”能在三维空间里精确定位柱头，误差仅7.67mm。

2

/ 授粉 /

“螺旋伺服”让“吉儿”的机械臂轻柔地将花粉递送到柱头表面，避免损伤柱头。

实验数据显示，“吉儿”的授粉成功率接近80%，而且可以全天候不停歇地工作。其零部件国产化率可达100%，单台设备成本低于一名授粉工人一年的工资。这意味着，育种学家和工人们可以从重复性的劳动中解脱出来，从事更具创造性的工作。

打造智能育种工厂

造出一个不知疲倦的“媒人”不是终点。许操团队的目标是利用作物野生近缘种，快速改良现有栽培种以定制新品种，这样一来，野生植物的抗病、耐旱、风味基因就能迅速被利用起来。许操团队进一步把“吉儿”与两项前沿技术结合：

从头驯化：综合应用基因组编辑、合成生物学等现代生物技术，把野生近缘种快速改造成适合栽培的新作物，让野生种的优异基因得以充分利用。

育种加速器：通过人工调控植物生长环境，缩短植物的生长周期，加速世代交替。

结合这3项技术，团队提出智能育种工厂模式。在该育种模式下，过去利用野生种基因资源往往需要5年的时间，而现在只要1年就能完成。

“吉儿”育种策略与智能育种工厂

目前，该模式已经在番茄上进行了技术验证，可以批量培育出风味更浓、抗逆性更强的新种质，为解决中国科学技术协会发布的2025十大前沿科学问题之一的“作物野生近缘种在提升栽培种抗逆特性的育种潜力”，提供智能育种全新科技方案。

作物-机器人协同的无限可能

该研究开辟了“BT筑基+AI赋能+机器人(Robot)劳作”的智能育种(BAR)模式，标志着我国率先完成拥有自主知识产权的智能机器人育种闭环技术体系构建，在生物育种范式革新和催生新质生产力方面展现了“AI for Science”（人工智能驱动的科学研究）的重大应用前景。

过去杂交育种是“多系配套”，例如水稻的“三系法”“两系法”。“吉儿”的出现意味着，未来杂交育种可能会发展为“机器人配套”模式。通过基因编辑，让作物展现出机器人能识别的“表型标记”。或许在不久的将来，我们餐桌上的食物都离不开“吉儿”的默默工作。对我们来说，有了更丰富、更美味、更安全的食物；对人类社会来说，则是保障粮食安全、应对气候变化的强大武器。

“吉儿”的诞生，标志着生物技术和人工智能的结合正引领农业进入一个全新的时代。如果说第一次绿色革命是依靠化肥和机械化，那么新一轮绿色革命则可能是由生物技术和人工智能点燃。未来的农业，将有望从基因编辑设计作物花型，机器人自动完成杂交授粉，智能育种工厂批量培育新品种开始。

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