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)團隊在 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-機器人協(xié)同設(shè)計的“雙向奔赴”理念，通過基因編輯重新設(shè)計作物花型，快速精準(zhǔn)創(chuàng)制“機器人友好”的結(jié)構(gòu)型雄性不育系，運用深度學(xué)習(xí)和人工智能成功研制世界首臺可自動巡航雜交授粉的智能育種機器人“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。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，不僅耗時費力且遺傳背景受限。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
許操團隊創(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器人進行雜交授粉操作的最大障礙，使得機器人代替人工進行智能自動化雜交育種和制種成為可能。許操與楊明浩團隊聯(lián)合開發(fā)出智能授粉機器人"吉兒"，用 12,800 張圖像進行花朵定位、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 82.0%，單幀推理耗時僅 0.06 秒。運用偽雙目測距策略，通過 SURF 特征匹配與 RANSAC 算法計算柱頭 3D 坐標(biāo)，使定位誤差控制在 7.67 mm 內(nèi)，計算耗時 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)確保花粉能夠準(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，智能授粉機器人柱頭識別準(zhǔn)確率可達 85.1%，每授粉一個花朵僅耗時 15 秒，單次巡航授粉實現(xiàn)了 77.6% ± 9.4% 的成功率，可全天候不間斷進行反復(fù)巡航自動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化解決方案。并且“吉兒”機器人的零部件國產(chǎn)化自主率已達 95% 以上，整機成本極具應(yīng)用前景。
研究團隊將"吉兒"機器人與"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，團隊成功將"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% 人工授粉時間，為我國實現(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 機器人協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)智能自動化雜交育種
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)團隊正在將“育種-生產(chǎn)-采收-追溯”全產(chǎn)業(yè)鏈進行 BT+AI 融合，研發(fā)機器人育種家“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，克隆后的 PCR 產(chǎn)物無法使用 pEASY?-Blunt Cloning Vector 上多克隆位點的限制性內(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，可進行藍白斑篩選，適用于平端克隆。
產(chǎn)品特點
● 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)計酶切位點。
● 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)與雄厚實力的有力見證，更是生動展現(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)
