文章信息
文章題目：Engineering crop flower morphology facilitates robotization of cross-pollination and speed breeding
期刊：Cell
發(fā)表時(shí)間：2025 年 8 月 11 日
主要內(nèi)容：中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所許操研究員帶領(lǐng)的智能育種攻關(guān)團(tuán)隊(duì)在 Cell 發(fā)表了題為“Engineering crop flower morphology facilitates robotization of cross-pollination and speed breeding”的研究論文。該研究將 BT (生物技術(shù)) +AI (人工智能) 深度融合，首次提出作物-機(jī)器人協(xié)同設(shè)計(jì)的“雙向奔赴”理念，通過基因編輯重新設(shè)計(jì)作物花型，快速精準(zhǔn)創(chuàng)制“機(jī)器人友好”的結(jié)構(gòu)型雄性不育系，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)和人工智能成功研制世界首臺可自動(dòng)巡航雜交授粉的智能育種機(jī)器人“吉兒” GEAIR (Genome Editing with Artificial-Intelligence-based rRobots, GEAIR)，打破雜交育種和制種瓶頸，大幅降低育種成本、縮短育種周期、提高育種效率。該研究開辟了“BT 筑基+AI 賦能+機(jī)器人(Robot)勞作”的智能育種(BAR)模式，標(biāo)志著我國率先完成智能機(jī)器人育種閉環(huán)技術(shù)體系構(gòu)建，在生物育種范式革新和催生新質(zhì)生產(chǎn)力方面展現(xiàn)了“AI for Science”的重大應(yīng)用前景。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.07.028
使用TransGen產(chǎn)品：
pEASY?-Blunt Simple Cloning Kit (CB111)
背景介紹
雜種優(yōu)勢的利用顯著提升了作物單產(chǎn)，為糧食安全作出重要貢獻(xiàn)。全球雜交種子市場規(guī)模持續(xù)增長，但雜交育種和制種的高成本和低效率成為制約雜種優(yōu)勢利用的重要瓶頸。傳統(tǒng)雜交育種和制種依賴人工去雄和授粉，耗時(shí)耗力且成本高昂。例如，番茄雜交種因閉合花型完全依賴人工進(jìn)行雜交授粉，人工成本占總育種成本的 25% 以上；大豆雜交種雖具 30% 增產(chǎn)潛力，卻因花型閉合難以雜交制種。柱頭外露的結(jié)構(gòu)型雄性不育系可免除上述操作，一直是雜交育種和制種的理想性狀，但傳統(tǒng)方法獲取結(jié)構(gòu)型雄性不育系依賴自然變異或大規(guī)模誘變篩選，不僅耗時(shí)費(fèi)力且遺傳背景受限。雖然基因編輯技術(shù)嘗試通過編輯調(diào)控花粉育性基因和花柱伸長相關(guān)的基因來創(chuàng)制柱頭外露型不育系，但目前仍未成功。
文章概述
許操團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用基因編輯靶向番茄雄蕊發(fā)育的 MADS-box 基因 GLO2，成功創(chuàng)制出柱頭自然外露的結(jié)構(gòu)型雄性不育系，且不影響雜交果實(shí)產(chǎn)量和種子質(zhì)量，該突破性技術(shù)克服了遺傳背景限制，有望徹底擺脫人工雜交授粉，大幅提升番茄育種效率并降低成本。而柱頭外露型雄性不育系的產(chǎn)生掃除了人工智能機(jī)器人進(jìn)行雜交授粉操作的最大障礙，使得機(jī)器人代替人工進(jìn)行智能自動(dòng)化雜交育種和制種成為可能。許操與楊明浩團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)出智能授粉機(jī)器人"吉兒"，用 12,800 張圖像進(jìn)行花朵定位、分割掩膜標(biāo)記及柱頭朝向檢測的訓(xùn)練和測試，訓(xùn)練了 YOLACT_Orient 深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，花朵檢測準(zhǔn)確率達(dá) 82.0%，單幀推理耗時(shí)僅 0.06 秒。運(yùn)用偽雙目測距策略，通過 SURF 特征匹配與 RANSAC 算法計(jì)算柱頭 3D 坐標(biāo)，使定位誤差控制在 7.67 mm 內(nèi)，計(jì)算耗時(shí) 0.045 秒。最后，螺旋伺服授粉策略結(jié)合輕量級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確?；ǚ勰軌驕?zhǔn)確輕柔地遞送至柱頭表面，避免損傷柱頭，保證授粉成功率。基于人工智能算法，智能授粉機(jī)器人柱頭識別準(zhǔn)確率可達(dá) 85.1%，每授粉一個(gè)花朵僅耗時(shí) 15 秒，單次巡航授粉實(shí)現(xiàn)了 77.6% ± 9.4% 的成功率，可全天候不間斷進(jìn)行反復(fù)巡航自動(dòng)雜交授粉以確保每朵花成功授粉坐果，為溫室雜交授粉提供了高效自動(dòng)化解決方案。并且“吉兒”機(jī)器人的零部件國產(chǎn)化自主率已達(dá) 95% 以上，整機(jī)成本極具應(yīng)用前景。
研究團(tuán)隊(duì)將"吉兒"機(jī)器人與"從頭馴化"和"快速育種"技術(shù)整合，建成智能育種工廠，將野生近緣種育種周期從 5 年縮短至 1 年，顯著提升了作物抗逆性和風(fēng)味品質(zhì)。該技術(shù)為破解野生種育種潛力難題提供了創(chuàng)新方案。針對大豆雜交育種難題，團(tuán)隊(duì)成功將"吉兒"系統(tǒng)應(yīng)用于大豆，創(chuàng)制出結(jié)構(gòu)型雄性不育系，節(jié)省 76.2% 人工授粉時(shí)間，為我國實(shí)現(xiàn)大豆雜交育種突破、大幅提升單產(chǎn)提供了智能化技術(shù)裝備支撐（圖1）。
圖1 作物花型重塑與 AI 機(jī)器人協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化雜交育種
該研究通過 BT+AI 交叉融合解決重大科技問題和產(chǎn)業(yè)難題，具有廣闊的應(yīng)用前景。上述結(jié)構(gòu)型雄性不育系創(chuàng)制技術(shù)和智能育種機(jī)器人相關(guān)技術(shù)已申請國家專利和 PCT 國際專利，許操研究員帶領(lǐng)的智能育種攻關(guān)團(tuán)隊(duì)正在將“育種-生產(chǎn)-采收-追溯”全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行 BT+AI 融合，研發(fā)機(jī)器人育種家“吉兒 2.0 版”，并將結(jié)構(gòu)型雄性不育系拓展應(yīng)用于不同作物。
全式金生物產(chǎn)品支撐
優(yōu)質(zhì)的試劑是科學(xué)研究的利器。全式金生物的 Blunt Simple 基因克隆試劑盒（雙抗性、平末端）（CB111）助力本研究。產(chǎn)品自上市以來，深受客戶青睞，多次榮登知名期刊，助力科學(xué)研究。
pEASY?-Blunt Simple Cloning Kit (CB111)
本產(chǎn)品消除了 pEASY?-Blunt Cloning Vector上的多克隆位點(diǎn)，克隆后的 PCR 產(chǎn)物無法使用 pEASY?-Blunt Cloning Vector 上多克隆位點(diǎn)的限制性內(nèi)切酶切下。包含 LacZ 基因，在含有 IPTG 和 X-gal 的平板培養(yǎng)基上，可進(jìn)行藍(lán)白斑篩選，適用于平端克隆。
產(chǎn)品特點(diǎn)
● 快速：僅需 5 分鐘。
● 簡單：加入片段即可。
● 高效：陽性率高。
● 提供氨芐青霉素和卡那霉素兩種篩選標(biāo)記。
● 方便在目的基因上設(shè)計(jì)酶切位點(diǎn)。
● T7 Promoter 用于體外轉(zhuǎn)錄。
● Trans1-T1 感受態(tài)細(xì)胞轉(zhuǎn)化效率高，生長速度快，確?？寺?shù)，節(jié)約篩選時(shí)間。
全式金生物的產(chǎn)品再度亮相 Cell 期刊，不僅是對全式金生物產(chǎn)品卓越品質(zhì)與雄厚實(shí)力的有力見證，更是生動(dòng)展現(xiàn)了全式金生物長期秉持的“品質(zhì)高于一切，精品服務(wù)客戶”核心理念。一直以來，全式金生物憑借對品質(zhì)的執(zhí)著追求和對創(chuàng)新的不懈探索，其產(chǎn)品已成為眾多科研工作者信賴的得力助手。展望未來，我們將持續(xù)推出更多優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，期望攜手更多科研領(lǐng)域的杰出人才，共同攀登科學(xué)高峰，書寫科研創(chuàng)新的輝煌篇章。
使用 pEASY?-Blunt Simple Cloning Kit (CB111) 產(chǎn)品發(fā)表的部分文章：
? Zhang X, Meng W, Liu D, et al. Enhancing rice panicle branching and grain yield through tissue-specific brassinosteroid inhibition[J]. Science, 2024.(IF 56.90)
? Xie Y, Zhang T, Yang M, et al. Engineering crop flower morphology facilitates robotization of cross-pollination and speed breeding[J]. Cell, 2025.(42.50)
? Zhang W, Wan H, Feng G, et al. SIRT6 deficiency results in developmental retardation in cynomolgus monkeys[J]. Nature, 2018.(IF 41.57)
? Wu X, Yu C, Mu W, et al. The structural mechanism for transcription activation by Caulobacter crescentus GcrA[J]. Nucleic Acids Research, 2023.(IF 19.16)
? Li Y, Du Y, Huai J, et al. The RNA helicase UAP56 and the E3 ubiquitin ligase COP1 coordinately regulate alternative splicing to repress photomorphogenesis in Arabidopsis[J]. The Plant Cell, 2022.(IF 12.00)
? Li L, Fang C, Zhuang N, et al. Structural basis for transcription initiation by bacterial ECF σ factors[J]. Nature communications, 2019.(IF 11.88)
? Qi J, Wu B, Feng S, et al. Mechanical regulation of organ asymmetry in leaves[J]. Nature plants, 2017.(IF 11.47)
? Wang X, Liu C, Zhang S, et al. N6-methyladenosine modification of MALAT1 promotes metastasis via reshaping nuclear speckles[J]. Developmental cell, 2021.(IF 10.09)
? Wu M, Ren Y, Cai M, et al. Rice FLOURY ENDOSPERM 10 encodes a pentatricopeptide repeat protein that is essential for the trans‐splicing of mitochondrial nad1 intron 1 and endosperm development[J]. New Phytologist, 2019.(IF 7.30)
? Geng X, Zhang C, Wei L, et al. Genome-wide identification and expression analysis of cytokinin response regulator (RR) genes in the woody plant Jatropha curcas and functional analysis of JcRR12 in Arabidopsis[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2022.(IF 6.21)
? Zhang Q, Cao Y, Wang J, et al. Isolation and characterization of an astrovirus causing fatal visceral gout in domestic goslings[J]. Emerging microbes & infections, 2018.(IF 6.03)
? Liu S, Zhang M, Bao Y, et al. Characterization of a Highly Selective 2 ″-O-Galactosyltransferase from Trollius chinensis and structure-guided engineering for improving UDP-glucose selectivity[J]. Organic Letters, 2021.(IF 6.00)
