中國熱科院在甘蔗智慧育種方面取得新進展
2024年09月29日來源：中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院
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實驗室的研究團隊在甘蔗智慧育種方面取得新進展，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踐指導(dǎo)，有助于促進智能技術(shù)與農(nóng)業(yè)育種的深度融合，推動甘蔗育種的發(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、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)，目標是實現(xiàn)對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，包括利用人工智能進行甘蔗性狀的精準預(yù)測和優(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，以及運用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)育種數(shù)據(jù)的實時共享。該系統(tǒng)強調(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)想了一個由人工智能、區(qū)塊鏈和數(shù)字孿生驅(qū)動的甘蔗智慧育種系統(tǒng)架構(gòu)，并以人機物融合系統(tǒng)（Human-Cyber-Physical System，H-CPS）為基礎(chǔ)，具體包括三個層次：（1）物理層：由地面?zhèn)鞲衅鳌o人機、機器人和通信設(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行分析，以提供產(chǎn)量估算、病害檢測、表型預(yù)測、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)實技術(shù)實現(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，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關(guān)鍵步驟：（1）數(shù)據(jù)采集：通過傳感器、無人機、機器人等設(shè)備，實時采集甘蔗的表型、基因型和環(huán)境數(shù)據(jù)。人工智能算法實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性；（2）數(shù)據(jù)分析：使用人工智能模型對采集的數(shù)據(jù)進行分析，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)測模型，快速篩選出具有高產(chǎn)、高糖、抗病、抗逆和宜機性狀兼具的優(yōu)良甘蔗品種；（3）數(shù)據(jù)存儲：將采集到的育種數(shù)據(jù)存儲在區(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)塊鏈上進行記錄，實現(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)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時循環(huán)和可視化。育種者可以通過數(shù)字孿生平臺與人工智能模型進行交互，實時模擬甘蔗生長狀態(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實驗室/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)新團隊、熱帶作物生物育種全國重點實驗室科研專項、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費、國家重點研發(fā)計劃以及國家糖料產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.fcr.2024.109588
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