近日，中國熱科院生物所甘蔗研究中心/熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)在甘蔗智慧育種方面取得新進(jìn)展，發(fā)布了甘蔗智慧育種的全新架構(gòu)。研究有望為人工智能、區(qū)塊鏈和數(shù)字孿生技術(shù)在農(nóng)業(yè)育種中的應(yīng)用提供理論參考和實(shí)踐指導(dǎo)，有助于促進(jìn)智能技術(shù)與農(nóng)業(yè)育種的深度融合，推動(dòng)甘蔗育種的發(fā)展。

 

　　智慧育種是融合了人工智能、大數(shù)據(jù)、基因工程等前沿技術(shù)的一種新型育種方式。傳統(tǒng)的甘蔗育種主要依賴雜交育種和分子育種，雖然取得了一定的成功，但也存在育種周期長(zhǎng)、成本高、程序復(fù)雜等難題。研究通過引入革命性的甘蔗智慧育種系統(tǒng)架構(gòu)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)甘蔗育種全過程的智能化管理。

 

　　該研究聚焦由人工智能、區(qū)塊鏈和數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)的甘蔗智慧育種系統(tǒng)。研究一方面介紹了甘蔗育種面臨的挑戰(zhàn)以及該系統(tǒng)的革命性架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括利用人工智能進(jìn)行甘蔗性狀的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和優(yōu)化，通過區(qū)塊鏈技術(shù)確保育種數(shù)據(jù)的安全性和可追溯性，以及運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)育種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。該系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)了三層架構(gòu)的構(gòu)建：物理層、網(wǎng)絡(luò)層和人類層，并詳細(xì)探討了這些層次在提升育種效率和可靠性方面的協(xié)同作用。另一方面，研究深入討論了該系統(tǒng)在縮短育種周期、提高育種效率、確保數(shù)據(jù)完整性和安全性等方面的實(shí)際應(yīng)用效果，并指出了甘蔗智慧育種系統(tǒng)在克服傳統(tǒng)育種方法局限性和實(shí)現(xiàn)育種體系可持續(xù)、可拓展方面的潛力。

 

　　研究構(gòu)想了一個(gè)由人工智能、區(qū)塊鏈和數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的甘蔗智慧育種系統(tǒng)架構(gòu)，并以人機(jī)物融合系統(tǒng)（Human-Cyber-Physical System，H-CPS）為基礎(chǔ)，具體包括三個(gè)層次：（1）物理層：由地面?zhèn)鞲衅鳌o人機(jī)、機(jī)器人和通信設(shè)備等組成，用于收集育種環(huán)境數(shù)據(jù)、甘蔗表型數(shù)據(jù)等；（2）網(wǎng)絡(luò)層：包括云服務(wù)器、5G網(wǎng)絡(luò)、區(qū)塊鏈、人工智能和數(shù)字孿生，物理層數(shù)據(jù)在此通過人工智能模型進(jìn)行分析，以提供產(chǎn)量估算、病害檢測(cè)、表型預(yù)測(cè)、優(yōu)異種質(zhì)資源選擇、育種改良決策等服務(wù)；數(shù)字孿生模型通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)育種數(shù)據(jù)的流通；區(qū)塊鏈保障數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全性和可追溯性；（3）人類層：育種者通過數(shù)字孿生為系統(tǒng)提供額外的數(shù)據(jù)和專業(yè)知識(shí)，提升人工智能模型的可靠性。在H-CPS架構(gòu)下的這種協(xié)作，能夠顯著提升甘蔗育種效率。

 

　　在研究提出的智慧甘蔗育種系統(tǒng)中，育種工作主要包括四個(gè)關(guān)鍵步驟：（1）數(shù)據(jù)采集：通過傳感器、無人機(jī)、機(jī)器人等設(shè)備，實(shí)時(shí)采集甘蔗的表型、基因型和環(huán)境數(shù)據(jù)。人工智能算法實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；（2）數(shù)據(jù)分析：使用人工智能模型對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示基因與性狀之間的聯(lián)系，輔助育種者選擇優(yōu)良品種。通過分析表型數(shù)據(jù)，人工智能可以構(gòu)建甘蔗性狀預(yù)測(cè)模型，快速篩選出具有高產(chǎn)、高糖、抗病、抗逆和宜機(jī)性狀兼具的優(yōu)良甘蔗品種；（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：將采集到的育種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上，保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性。育種過程中的每一步操作都在區(qū)塊鏈上進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)了育種數(shù)據(jù)的全程可追溯；（4）數(shù)據(jù)流通：數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)循環(huán)和可視化。育種者可以通過數(shù)字孿生平臺(tái)與人工智能模型進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)模擬甘蔗生長(zhǎng)狀態(tài)，優(yōu)化育種決策。

 

　　該研究成果以“Digital evolution and twin miracle of sugarcane breeding”為題發(fā)表于《Field Crops Research》。中國熱科院生物所特聘研究員/福建師范大學(xué)汪曉丁副教授為第一作者；中國熱科院生物所甘蔗研究中心主任/熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/福建農(nóng)林大學(xué)闕友雄研究員為該論文的通訊作者。該研究得到中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)中心科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研專項(xiàng)、中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及國家糖料產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的資助。

 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.fcr.2024.109588