行業(yè)資訊

“培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗性強(qiáng)的作物品種，這是所有育種家的夢(mèng)想，如果你手里有300份材料，該怎么通過(guò)數(shù)字化手段去實(shí)現(xiàn)它？”

 

首屆數(shù)字種業(yè)論壇上，天豐智慧技術(shù)總監(jiān)邢鴻雁博士的這一提問(wèn)，引發(fā)了在場(chǎng)聽(tīng)眾的深思……

 

就傳統(tǒng)育種而言，選育動(dòng)植物新品種過(guò)程十分漫長(zhǎng)。一個(gè)植物新品種一般需要8-10年，畜禽新品種甚至要花費(fèi)數(shù)十年乃至上百年。部分育種家努力鉆研半生，最終也沒(méi)有出來(lái)一個(gè)大品種。又或者，新品種選育出來(lái)便已被瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)淘汰，傾注其中的心血不免令人惋惜。

 

眾所周知，種質(zhì)資源是育種的基礎(chǔ)，育種家第一步要做的便是“淘金”。截至2022年底，我國(guó)長(zhǎng)期保存的農(nóng)作物種質(zhì)資源數(shù)量已達(dá)53.9萬(wàn)份。保存數(shù)量雖位居世界第二，但作物種質(zhì)資源利用率僅為3.0%～5.0%，有效利用率僅為2.5%～3.0%。

 

種質(zhì)資源的收集、保存、鑒定，所耗人力、時(shí)間和財(cái)力成本巨大，育種家要深入田間地頭做種植材料的鑒定十分困難，盡管他們樂(lè)此不疲。

 

有人將傳統(tǒng)育種比喻為“選美”，育種的最終結(jié)果全靠育種家的眼睛，即便是在大數(shù)據(jù)、人工智能火爆的當(dāng)下，育種家的經(jīng)驗(yàn)仍舊不可取代。

 

可是，面對(duì)一座如此龐大、尚待開(kāi)發(fā)的種質(zhì)資源大山，單靠育種家的一步一履，或難登頂。

 

近年來(lái)，“BT+DT”成為了全球育種行業(yè)最熱門(mén)的詞匯。目前，國(guó)外種業(yè)已進(jìn)入“常規(guī)育種+生物技術(shù)+信息化”的育種“4.0時(shí)代”，而我國(guó)仍處在以雜交選育、分子育種為主的“2.0-3.0時(shí)代”。

 

以拜耳、科迪華為代表的國(guó)際種業(yè)巨頭，利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，結(jié)合海量基因組、表型和環(huán)境數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)行種子的選擇、優(yōu)化，已紛紛構(gòu)建起成熟的數(shù)字化育種體系。

 

2020年，拜耳在美國(guó)亞利桑那州的馬拉納開(kāi)設(shè)自動(dòng)化溫室，作為其新的全球玉米產(chǎn)品設(shè)計(jì)中心，可整合端到端的數(shù)字化育種過(guò)程，加速其玉米新品種迭代進(jìn)程。

 

在種業(yè)企業(yè)全面擁抱數(shù)字技術(shù)的同時(shí)，國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)巨頭也在積極布局育種賽道。

 

去年，谷歌的母公司Alphabet公開(kāi)推出“Mineral”，該項(xiàng)目籌劃已久，自2014年來(lái)平均每天可以采集到190000個(gè)農(nóng)田數(shù)據(jù)點(diǎn)。利用這些數(shù)據(jù)，Mineral 開(kāi)發(fā)了80個(gè)高性能機(jī)器學(xué)習(xí)模型，幫助企業(yè)、農(nóng)民、研究人員和育種家預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量、增加產(chǎn)量、防治害蟲(chóng)和雜草。

 

Google Ventures合伙人Andy Wheeler曾表示，“數(shù)據(jù)將是推動(dòng)下一波農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率提高的工具。”

 

再看國(guó)內(nèi)，數(shù)字技術(shù)在交通、消費(fèi)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域已發(fā)展得十分成熟。近些年，阿里、騰訊、京東等互聯(lián)網(wǎng)巨頭在農(nóng)業(yè)賽道頻頻落子?？梢哉f(shuō)，國(guó)內(nèi)要發(fā)展數(shù)字育種，既是大勢(shì)所趨，也是恰逢其時(shí)。

 

回到開(kāi)篇的提問(wèn)，數(shù)字化育種究竟該如何從展望走向落地，從經(jīng)驗(yàn)復(fù)制走向自主研發(fā)，乃至成熟的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用呢？最近，35斗參加了首屆數(shù)字種業(yè)論壇，從數(shù)十位專(zhuān)家學(xué)者的報(bào)告和訪(fǎng)談中，我們總結(jié)出了一些可行的方向和答案：

追趕：把握數(shù)字化機(jī)遇，為育種插上隱形翅膀

 

跨界：多元人才涌入，跑好數(shù)字革命的接力棒

 

降維：減少算法和模型內(nèi)卷，卷應(yīng)用贏面更大

 

聯(lián)合：細(xì)致分工與一體化鏈接，重塑行業(yè)生態(tài)

 

標(biāo)準(zhǔn)：直面育種數(shù)據(jù)爆炸，回歸育種本質(zhì)邏輯

 

追趕：把握數(shù)字化機(jī)遇，為育種插上隱形翅膀

 

發(fā)展數(shù)字育種契合當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)政策和發(fā)展戰(zhàn)略，這是一個(gè)非常好的機(jī)會(huì)。

 

擁有40余年育種經(jīng)驗(yàn)的前亞太種子協(xié)會(huì)（APSA）主席、前先正達(dá)中國(guó)政府事務(wù)總監(jiān)張孟玉表示，我國(guó)的數(shù)字技術(shù)在農(nóng)業(yè)以外的其他行業(yè)發(fā)展迅速并逐步成熟，如無(wú)人機(jī)、無(wú)人交通、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈應(yīng)用、供應(yīng)鏈管理等。但在數(shù)字農(nóng)業(yè)和數(shù)字種業(yè)方面，剛剛起步，十分滯后。

 

在有限的應(yīng)用中，設(shè)施農(nóng)業(yè)又占據(jù)了大頭。水肥一體化、溫度光源控制、云平臺(tái)管理等領(lǐng)域常?？梢?jiàn)數(shù)字化身影。目前，信息技術(shù)在以跨國(guó)企業(yè)為代表的種業(yè)企業(yè)逐步得到使用，于中國(guó)種業(yè)而言，抓住數(shù)字化機(jī)遇，任重而只爭(zhēng)朝夕。

 

對(duì)此，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)郭偉龍副教授也提出了一個(gè)很有趣的思考：我們常說(shuō)基因組學(xué)已經(jīng)有很多數(shù)據(jù)，為什么還要數(shù)字化？數(shù)字化究竟是什么含義？

 

哪怕是數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)有好幾個(gè)層次，數(shù)據(jù)化和數(shù)字化有著迥異的差距。

 

通過(guò)測(cè)序技術(shù)采集并獲取大量基因組信息，這個(gè)只是數(shù)據(jù)化的過(guò)程。我們真正要做的是數(shù)字化，基于海量基因型、表型和環(huán)境組學(xué)數(shù)據(jù)，利用算法、模型形成的育種知識(shí)庫(kù)，對(duì)于指導(dǎo)實(shí)踐可能更有價(jià)值、效率。

 

種業(yè)4.0是一個(gè)以數(shù)字化為基礎(chǔ)的創(chuàng)新時(shí)代。

 

華大制造李勇副研究員認(rèn)為，西方國(guó)家之所以發(fā)展起成熟的育種體系，恰恰是其數(shù)字積累起來(lái)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。如果傳統(tǒng)的種業(yè)無(wú)法和西方競(jìng)爭(zhēng)，那么分子育種和數(shù)字育種將是趕超的絕佳機(jī)會(huì)。我國(guó)種質(zhì)資源豐富，在研發(fā)力量上也逐漸出現(xiàn)了從政府、科研機(jī)構(gòu)到企業(yè)的轉(zhuǎn)變，這是一個(gè)良好的信號(hào)。

 

也許，大數(shù)據(jù)早已在數(shù)字經(jīng)濟(jì)的舞臺(tái)上大展拳腳、屢創(chuàng)佳績(jī)。如今涉足育種領(lǐng)域，它的神秘面紗正在一點(diǎn)一點(diǎn)揭開(kāi)，蓄勢(shì)待發(fā)。

 

 

跨界：多元人才涌入，跑好數(shù)字革命的接力棒

 

育種家的戰(zhàn)場(chǎng)，不止于實(shí)驗(yàn)室，也在田野，更在云端。

 

數(shù)字化育種時(shí)代，不僅需要遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物信息學(xué)等領(lǐng)域的“BT”人才，還迫切需要數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化控制、統(tǒng)計(jì)學(xué)等相關(guān)背景的“DT”人才共同參與。

 

拜耳作物科學(xué)的王林博士提到，種子的產(chǎn)出潛力很關(guān)鍵，要能適應(yīng)不同農(nóng)民、農(nóng)場(chǎng)的種植環(huán)境。育種不僅僅局限于基因組方面的研發(fā)，也需要涉及種子“周邊”，如殺蟲(chóng)、除草、種子管理等。因此，拜耳的育種研發(fā)始終是圍繞著客戶(hù)最終的需求來(lái)規(guī)劃。

 

西南民族大學(xué)青藏高原研究院的王嘉博副研究員，其博士研究背景是軟件開(kāi)發(fā)和算法，如今卻在藏區(qū)的牦牛基因組選育工作上干勁十足。

 

在被問(wèn)到如何與老一輩育種家合作，推動(dòng)種業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型時(shí)，他提到：我父親從事大豆的傳統(tǒng)育種已有30年，也持續(xù)做出了自己的成果。當(dāng)我和他討論現(xiàn)代的分子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)時(shí)，父親表示“實(shí)踐是最好的答案”。

 

新技術(shù)的出現(xiàn)肯定會(huì)帶來(lái)革命。一代人比一代人要強(qiáng)，技術(shù)發(fā)展也會(huì)一代比一代更先進(jìn)。只有深入田間地頭，用數(shù)字技術(shù)真正地推動(dòng)種業(yè)進(jìn)步，才能讓老一輩的人相信：這桿槍交給我們可以放心。

 

中國(guó)農(nóng)科院作物所的張學(xué)勇研究員也在接受訪(fǎng)談時(shí)表示：這次參會(huì)最強(qiáng)烈的感受，就是希望在青年身上。對(duì)我們這一輩的育種家來(lái)說(shuō)，田間的數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)有很多，但是缺乏海量數(shù)據(jù)的有機(jī)整合。而國(guó)際上的種業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，其實(shí)就是國(guó)家種質(zhì)資源的智能化競(jìng)爭(zhēng)。

 

或許，當(dāng)新一代育種家接過(guò)這份沉重的“接力棒”時(shí)，“彎道超車(chē)”或能更快實(shí)現(xiàn)。

 

降維：減少算法和模型內(nèi)卷，卷應(yīng)用贏面更大

 

在過(guò)去的一年里，以Chat GPT的火爆為標(biāo)志，諸如通義千問(wèn)、文心一言、PaLM 2等生成式人工智能領(lǐng)域的大語(yǔ)言模型紛紛涌現(xiàn)。百度創(chuàng)始人李彥宏曾公開(kāi)表示：模型本身并不直接產(chǎn)生價(jià)值，基于基礎(chǔ)大模型開(kāi)發(fā)出來(lái)的應(yīng)用才是模型存在的意義。

 

郭偉龍副教授認(rèn)為，人工智能技術(shù)從計(jì)算機(jī)領(lǐng)域來(lái)講已經(jīng)很成熟，方法已經(jīng)卷到了一定程度，現(xiàn)在不再卷模型，而是卷應(yīng)用。邢鴻雁博士也提到，對(duì)于數(shù)字育種來(lái)說(shuō)，不用去卷算法，哪個(gè)好用就用哪個(gè)。

 

天豐智慧CEO張洪也強(qiáng)調(diào)，種業(yè)科技方面我國(guó)的發(fā)期刊數(shù)量處于絕對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，但從科學(xué)到技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)斷層，從技術(shù)到工程化實(shí)現(xiàn)還有很長(zhǎng)的路要走。

 

構(gòu)建育種大模型可以幫助預(yù)測(cè)和找到優(yōu)勢(shì)的基因，大幅提升育種效率。但是，“有用”一定是決定算法、模型選擇的關(guān)鍵因素。

 

以大豆為例，“中央一號(hào)文件”連續(xù)4年聚焦大豆擴(kuò)種。中國(guó)農(nóng)科院作物所的李英慧研究員表示，利用基因組、轉(zhuǎn)錄組、常規(guī)表型等多組學(xué)技術(shù)的聯(lián)合分析，團(tuán)隊(duì)成功發(fā)掘了300多個(gè)與產(chǎn)量、抗病蟲(chóng)等相關(guān)的基因。

 

然而，解鎖大豆耐密植基因只是第一步，團(tuán)隊(duì)更希望的是，讓這些基因能夠被育種家切實(shí)利用，回應(yīng)大豆高度依賴(lài)進(jìn)口的國(guó)情。

 

正如慧諾瑞德創(chuàng)始人韓志國(guó)所言，表型技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高通量、自動(dòng)化獲取和產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，看上去非常高大上，脫去華麗的外衣就是光譜檢測(cè)技術(shù)。我們思考的是：能否為產(chǎn)業(yè)做一點(diǎn)事？

 

從這個(gè)角度來(lái)看，無(wú)論是極智生物的高通量基因測(cè)序平臺(tái)，還是天豐智慧的GS預(yù)測(cè)育種，抑或是慧諾瑞德的高通量表型鑒定，讓技術(shù)更加落地、平臺(tái)更加實(shí)用，或許才是千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)數(shù)字化育種人員的終極夢(mèng)想。

 

 

聯(lián)合：專(zhuān)業(yè)分工與一體化鏈接，重塑行業(yè)生態(tài)

 

在這場(chǎng)數(shù)字化革命中，傳統(tǒng)種企或許才是感觸最深的。

 

去年，來(lái)自紅船啟航地的浙江大禾種業(yè)董事長(zhǎng)朱娟，毅然決然地加入了數(shù)字種業(yè)聯(lián)盟，擁抱數(shù)字化育種，尋求企業(yè)轉(zhuǎn)型。

 

朱娟認(rèn)為，在數(shù)字化育種中，傳統(tǒng)種企更多關(guān)注“效率”，如何精準(zhǔn)地能夠?yàn)榉N業(yè)企業(yè)和農(nóng)民的增收增效服務(wù)，這是企業(yè)最關(guān)注的點(diǎn)。數(shù)字種業(yè)聯(lián)盟的成立，有望實(shí)現(xiàn)種業(yè)企業(yè)、科研單位從點(diǎn)到線(xiàn)的有機(jī)鏈接，對(duì)于加速傳統(tǒng)種企業(yè)加速品種迭代會(huì)起到至關(guān)重要的推動(dòng)作用。

 

中國(guó)農(nóng)科院作科所/國(guó)家南繁研究院張學(xué)才研究員對(duì)此的思考是：提高育種過(guò)程的效率，而不僅僅是單一技術(shù)的效率。要解決好種質(zhì)、算法和育種實(shí)踐的結(jié)合問(wèn)題，從種到收、從選品種到測(cè)序，每個(gè)過(guò)程、環(huán)節(jié)都需要數(shù)字化賦能。

 

李勇研究員也表示，數(shù)字育種的價(jià)值鏈很長(zhǎng)，而行業(yè)的專(zhuān)業(yè)化服務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這也是我們強(qiáng)調(diào)的數(shù)字化聯(lián)盟的重要性所在。

 

合肥智能育種加速器大科學(xué)裝置（海霸設(shè)施）首席科學(xué)家吳麗芳強(qiáng)調(diào)，通過(guò)平臺(tái)將各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)、技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行整合，為育種家提供便利是大科學(xué)裝置的創(chuàng)立初衷。

 

我們不需要做重復(fù)的工作，要充分利用各方資源，合作共贏。未來(lái)，在種質(zhì)創(chuàng)新、新基因快速挖掘、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、核心種質(zhì)資源數(shù)據(jù)共享等方面，大家有很多合作空間。

 

在國(guó)家種業(yè)振興大背景下，如何將行業(yè)內(nèi)好的育種技術(shù)真正落地，做到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用非常關(guān)鍵。

 

極智基因創(chuàng)始人焦成智表示，單打獨(dú)斗非常難，通過(guò)組建聯(lián)盟，把各方先進(jìn)的育種技術(shù)進(jìn)行整合，真正賦能下游的新品種培育、種質(zhì)的創(chuàng)新，甚至未來(lái)農(nóng)業(yè)食品加工等一系列的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

 

 

標(biāo)準(zhǔn)：直面育種數(shù)據(jù)爆炸，回歸育種本質(zhì)邏輯

當(dāng)前，全球正處于“數(shù)據(jù)爆炸”時(shí)代。

 

2022年我國(guó)數(shù)據(jù)產(chǎn)量達(dá)8.1ZB，同比增長(zhǎng)22.7%，全球占比達(dá)10.5%，位居世界第二。其中，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的增量更是達(dá)到了50%至80%的水平。在環(huán)境氣候、基因組測(cè)序、作物生長(zhǎng)指標(biāo)、地方統(tǒng)計(jì)等方面，種業(yè)從來(lái)不差數(shù)據(jù)。

 

在會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)，張學(xué)才提出了一個(gè)有趣的觀(guān)點(diǎn)：“數(shù)據(jù)并不是越多越好”。

 

他提到，測(cè)序數(shù)據(jù)越多越好，標(biāo)記數(shù)量則不一定越多越好，算法也不一定越高級(jí)越好。對(duì)育種的人來(lái)講，數(shù)據(jù)庫(kù)能否承受存儲(chǔ)和計(jì)算的壓力，讓人覺(jué)得你不是在玩數(shù)據(jù)，你是來(lái)實(shí)踐做育種，這才是最重要的。

 

每天都有源源不斷的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，在某些方面，也給育種家造成了困擾。

 

韓志國(guó)表示，大家在做表型采集時(shí)常常有不同的命名方式，這給大數(shù)據(jù)處理增加了難度。同時(shí)，不同的表型平臺(tái)的信息化難以打通，很重要的一點(diǎn)在于表型的數(shù)據(jù)實(shí)在太大。

 

我們也一直在尋找表型數(shù)據(jù)領(lǐng)域更簡(jiǎn)化的指標(biāo)，從而助力育種和關(guān)鍵的種植流程決策連接起來(lái)，這個(gè)或許會(huì)成為產(chǎn)業(yè)化落地應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)。

 

張學(xué)才強(qiáng)調(diào)，育種是一個(gè)龐雜的過(guò)程，其中牽扯到標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化問(wèn)題。包括命名格式的統(tǒng)一、流程的優(yōu)化、頂層設(shè)計(jì)的完善，都需要遵循科學(xué)性原則。當(dāng)每一粒種子有了清晰的ID，包括來(lái)源、年份、名稱(chēng)等；當(dāng)每家育種信息系統(tǒng)的底層框架達(dá)成一致，數(shù)字育種才能真正成型。

 

到那時(shí)，再?gòu)?fù)雜的數(shù)據(jù)輸入和輸出也會(huì)變得簡(jiǎn)單、高效。

 

 

寫(xiě)在最后

 

作物育種猶如建房子，正在由“建平房時(shí)代”進(jìn)入“建高樓時(shí)代”。雖然平房和高樓其房間的功能變化不大，但其建設(shè)的流程和工藝已有天壤之別。

 

未來(lái)的育種，將是“設(shè)計(jì)育種”，需要有科學(xué)的規(guī)劃，優(yōu)良的設(shè)計(jì)，精細(xì)的施工，完善的監(jiān)理，嚴(yán)密的檢測(cè)，出色的管理，高效的協(xié)作，缺一不可。

 

這兩段話(huà)由我國(guó)著名水稻育種家劉定富老師所說(shuō)。今天，它也出現(xiàn)在了由極智生物、天豐智慧、慧諾瑞德三家企業(yè)共同發(fā)起的數(shù)字種業(yè)聯(lián)盟的規(guī)劃書(shū)上。這些文字正是關(guān)于聯(lián)盟成立初衷、所追求事業(yè)最為形象與深刻的說(shuō)明。

 

未來(lái)，在聯(lián)盟的助力下，我們也期望一代又一代育種家的終極夢(mèng)想能從紙面躍至現(xiàn)實(shí)。