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【中國科學報】植物研究“表型時代”需要中國聲音

2019-10-25 中國科學報 李晨
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  “對植物的系統研究來說,表型組學研究占據決定性地位。表型是第一性的,基因型是第二性的。研究植物首先從表型開始。”10月23日,由南京農業大學、國際植物表型組織主辦的第六屆國際植物表型大會在南京舉行。中國工程院院士蓋鈞鎰認為,農作物表型和基因研究的深度和廣度,直接影響著種質資源利用效率和現代種業的可持續發展。

  進入“表型時代”

  近年來,植物基因組學研究已取得巨大進展。在獲得海量作物基因組信息之后,全球科學家面臨著一個全新的挑戰:如何高分辨、高效率地解析基因功能、植物表型及環境響應三者的相互作用機理,以及植物表型與產量、品質和抗性之間的關系。

  植物表型是指能夠反映植物細胞、組織、器官、植株和群體結構及功能特征的物理、生理和生化性狀。

  蓋鈞鎰告訴《中國科學報》,傳統上,作物表型,特別是涉及作物的產量,要等“長出來”才能“看見”;而作物的抗病性,要等發病了才知道;作物的抗蟲性也需要在田里觀察。于是,如何快速、準確地測定多種作物的表型,就成為新的科研問題。

  “表型研究可以在基因型和表型之間架起一座橋梁。”南京農業大學副校長丁艷鋒教授在接受《中國科學報》采訪時表示,隨著機器人技術、人工智能技術、傳感器技術、高通量成像技術的不斷發展,表型研究實現了以前靠人工無法實現的事情。

  1985年開始從事作物表型研究的日本科學技術振興機構超先端研究總負責人、東京大學名譽教授二宮正士告訴《中國科學報》,過去幾年,他的團隊將圖像分析與深度學習相結合,利用無人機拍照,對作物器官,如穗、花序、果實等,進行精確檢測和計數。

  如果靠人工,數清楚一萬株高粱上面有多少穗,不僅要砍掉高粱,而且要耗費一周時間。但用無人機圖片加深度學習,只需要10分鐘,而且無須破壞高粱。

  這樣,不用等到成熟期,育種學家就可以提前預測作物產量,篩選出表現好的品種,從而大大縮短選育時間。

  “表型組學研究將推動高通量、大數據、精準生物信息的生命科學時代到來,成為發展現代種業、智慧農業、智能裝備的重要利器。我們要加大力量促進作物表型研究。”丁艷鋒說,現在測定基因序列的能力很強,但是獲取表型的能力還很弱。

  全球積極布局

  產量、穗粒結構、抗病性、株型、抗倒指標、根部形態等育種目標性狀,葉面積、干物質、氮含量、生育期、光合效率等生理特征……“表型是生命體可以觀測的一切性狀和特征,是基因型和環境互作的結果。”丁艷鋒介紹,表型研究需要高速、準確地獲取田間作物的大數據信息。

  因此,表型組學的支撐學科包括數學、生物學、系統科學、統計學等,其應用范疇也包括諸多學科。丁艷鋒認為,表型組是推動學科交叉融合、培育新型學科增長點的“利刃”。

  國內外表型組學已經呈現出五大發展趨勢:由科學家個人興趣轉向規模化的合作研究,表型檢測手段由單一轉向綜合化、智能化,由單一尺度轉向多尺度聯合分析,由關鍵時間點轉向全生命周期連續觀測,由組內關聯分析轉向組間關聯分析。

  目前,美、英、法等主要發達國家都在積極布局,相繼出臺國家級研究計劃。

  例如,美國正在開發小型、高精度的定性分析設備,同時美國國家科學基金會已將“理解生命規律,通過基因型的鑒定來預測表型”作為六大科學前沿之一;法國重視室內外植物環境動態互作分析和生長預測模型;英國精于遙感技術和基于機器學習的計算機視覺、圖像分析的表型研究;澳大利亞開發了一系列檢測各類田間作物生長表型的技術手段;德國研發了大規模可擴展的表型數據采集技術和自動化數據分析方法;荷蘭關注室內植物表型自動化篩分系統以及可控環境中的植物形態特征分析。

  蓋鈞鎰認為,南京農業大學正在籌建的作物表型組學重大科技基礎設施項目,將在全球范圍內組建跨學科研究團隊,引領農業植物科學發展,保障國家糧食安全。

  需要“中國方案”

  “作物表型研究對全球糧食安全而言意義重大,它是育種的基礎,能夠幫助科學家準確培育出人們需要的新品種。只有加速推進作物表型研究,才能不斷推出新品種用于生產。”蓋鈞鎰說。

  這一觀點得到與會專家的支持。

  二宮正士認為,糧食安全不僅在中國,在世界范圍內也是急需解決的問題。“我希望通過與南京農業大學合作,為解決這個問題貢獻自己的力量。”

  澳大利亞聯邦科學與工業研究組織首席科學家、昆士蘭大學教授Scott Chapman告訴《中國科學報》,植物表型研究對全球農業生產和可持續農業發展意義重大:在作物育種領域,表型技術可以培育出更高產高質的品種,同時這些新技術可以用于實際農業生產,幫助農業管理。他希望通過深入的國際合作貢獻一份力量。

  南京農業大學科學研究院常務副院長姜東指出,國外科學家更多研究小麥、玉米,我國科學家則更多關注水稻、大豆、棉花等作物,而檢測裝置、算法都要自主開發。

  據介紹,目前南京農業大學作物表型組學研究重大科技基礎設施建設項目已列入《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃》后備項目。

  丁艷鋒表示,在前期籌備過程中,南京農業大學已經與英國、法國、德國、荷蘭等國家的研究機構合作共建了多個國際聯合研究中心;研制了一批擁有自主知識產權的表型研究設施;開辦了全國首個人工智能(農業)專業,構建了從本科生、研究生到博士生的人才梯隊。

  (原載于《中國科學報》 2019-10-25 第1版 要聞)
打印 責任編輯:侯茜

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