【科技日报】为植物作“动态画像”，破解“隐藏的密码”

走进安博网页版前沿交叉研究院（以下简称“交叉研究院”）的温室，一排排正在生长的水稻、大豆、小麦萌发勃勃生机。与众不同的是，这些作物“头顶”，架设着一套特殊的探测器，它一边移动，一边将作物生长的信息拍摄下来。科研人员再利用人工智能等技术分析这些信息，破解作物生长的奥秘。

“叶片长宽、颜色等结构和生理生化指标，都是作物表型。研究表型与基因和环境之间的关系，可以筛选出人类需要的优异种质资源，进而培育优良品种，例如高产、耐盐碱品种。”3月19日，交叉研究院副教授金时超蹲在温室中向记者介绍他们开发的作物时空表型一体化观测体系。

在他身边，是正在运行的“种子萌发表型监测平台”。该平台上摆放了浸泡在两种不同盐浓度下的20个水稻品种的3000粒种子，可根据试验要求自动设置采集发芽率、根长、芽长的时间及频次。在过去的3个月里，该平台已分批次成功采集了300个品种的种子发芽动态表型数据。

2024年以来，南农已经与8家企业签署“表型组学”相关的技术转化项目，帮助对方记录作物表型，筛选优良品种，全年成果转化累计签约金额约3800万元，累计创造上亿元生产价值。

表型监测系统正在监测大豆生长。金时超供图

8年攻关为植物作动态画像

“不同品种的水稻，产量、品质和抗性都不一样。哪些表型可以表征品种之间的差异，这些差异背后的调控机制是什么，都是表型研究的重要方向。”在交叉研究院的温室，金时超指着正在发芽的水稻表型监测系统向记者介绍。

在温室一角，一株盆栽的大豆被摆放在一个特殊的“体检舱”里。大豆上方，则搭建有一条滑轨，载着一个机顶盒大小的“植物三维重建与表型监测平台”，系统下方则固定着两台微型相机。随着系统在滑轨上移动，相机开始拍不同角度的小麦。不久后，这些拍摄的画面在电脑里生成一幅大豆的“数字孪生图”。不同生长期的大豆叶片颜色、纹理、株高、冠幅、叶面积指数、叶倾角分布、生物量等指标都将根据小麦真实的生长情况建模。

“在这个基础上，我们再施加不同的光强、温湿度、栽培技术，就可以模拟在真实农业场景中的作物长势，从而筛选高产品种，比如耐密植大豆品种。”金时超说，目前，团队已经生成了2000多株大豆和1600多株水稻的数字孪生图。

表型监测系统正在监测大豆生长。金时超供图

眼前的这些作物表型监测设备，已是历时8年，迭代了多次的4.0版本。“我们下决心要推动植物表型组学系列设备、数据库搭建、模型构建等全面自研的进度。”南农植物表型组学交叉研究中心首席科学家丁艳锋教授表示。

8年间，交叉研究院植物表型教育部工程研究中心的一支平均年龄不超过40岁的科研团队，连续攻克了植物表型研究的目标定位、性状提取、变化监测和交叉应用的等一系列关键技术难题。这些技术有效提高了传统人工调查的精度、效度及效率，也为新性状的发掘提供了关键技术支撑。

如今，科研人员可以轻便地将4.0版植物表型设备带到田间地头，用于观察植物长势，实现单株检测，进行多尺度三维表型提取，预测种子发育情况。

安博网页版作物表型组学交叉研究中心。金时超供图

建成多个全球最大AI表型数据集

随着技术装备的不断迭代，其观测领域愈发广泛。“目前，除主要粮食作物以外，植物表型监测装备已经可以分析花卉、蔬菜、果树、牧草等经济作物。”盛馨举例，在大豆育种领域，团队基于三维数字孪生数据，构建了大豆叶柄和冠层轮廓等表型提取算法，实现了大豆耐密植新性状发掘和优异资源鉴定。在水稻栽培领域，团队研发了三维光截获模拟算法，揭示了水稻理想株型品种的光截获新规律，提供了理想株型定量评价的新方法。

“新技术就像记录人的高矮胖瘦一样，为我们记录每一株大豆的株型紧凑程度提供了可能，为耐密植大豆优异种质资源鉴定提供了新手段。”南农国家大豆改良中心副教授张焦平说。

有了全球领先的表型组学设备的数据，前沿交叉研究院的生物信息学中心，也成为数据分析演算的“宝藏机构”。

盛馨介绍，中心依托生物信息学省级重点学科，瞄准基因组学前沿建立了一套完整的高通量数据产生、分析体系，构建了开放共享的生物信息分析平台，从事生物信息学、计算生物学、人工智能及大数据的理论、方法的研究，为可交互的软件平台和大数据分析提供大量服务。

“目前该平台具备每秒1.003×10¹⁵次双精度浮点运算的能力，200多个专业分析软件，3000多用户，年度平均算力资源使用率约95%。”盛馨说。

借助生物信息学中心的缜密运算，2024年10月，南农滕年军教授团队领衔公布世界上首个正式报道的超大植物基因组——百合高质量染色体级别基因组。

盛馨介绍，目前生物信息学中心还成功集成了小麦、大豆、梨树、菊花等多个全球最大AI表型数据集等一大批农业生物基础性战略数据资源，为智慧农业育种搭建了高效安全的平台。

跨界融合推动产业进程

手握研究“利器”，坐拥研究数据，如何让躺在实验室的成果指导农业生产，成为南农前沿交叉研究院又一个使命。

2024年12月，合肥科晶生物技术有限公司与南农合作共建“AI生物模型产业研究院”项目正式签约。

“希望我们围绕AI大模型+生物大数据的产业化进程展开合作，建立以生物数据集成、存储、分析为核心的智能化平台，构建覆盖数据采集到AI建模的全产业链体系。”合肥科晶生物技术有限公司董事长朱也对合作充满期待。

今年以来，南农还相继与南京江北新区生物医药公共服务平台、南京溧水区、卫岗乳业等多家单位开展全面战略合作，打通农业与健康前沿领域科技成果“发现、验证、转化、应用”全链条，打造高校科技成果转化和交叉复合型人才培养新样板。

如今，在田间地头“解剖”植物生长密码的南农表型组学装备，即将迎来5.0版本，金时超说，表型观测将与通用智能和低空经济深度融合，采用多智能体组网协作模式，实现跨时空感知、决策和执行，这将推动作物时空表型组学理论与方法的发展，赋能农业科技创新和产业转型升级。

“我们希望以推动优质学科深度交叉融合为催化剂，以服务健康中国战略和农业强国建设的历史契机，推动原始创新和关键核心技术攻关，深耕前沿基础科学研究，聚力行业共性技术研发，统筹推进教育科技人才科研协同发展，为强国建设和未来农业、大健康发展提供强有力的科技和人才支持，彰显高质量发展支撑力。”南农校长陈发棣表示。

【科技日报】为植物作“动态画像”，破解“隐藏的密码”

原文链接：https://www.stdaily.com/web/gdxw/2025-03/20/content_312391.html