近日，中國熱帶農業科學院/熱帶生物技術研究所甘蔗研究中心在“國家熱帶農業科學中心科技創新團隊”和“熱帶作物生物育種全國重點實驗室科研專案”等專項資助下，研究併發布了甘蔗智慧育種的全新架構。相關研究成果以_Digital evolution and twin miracle of sugarcane breeding為題發表在農林科學領域國際權威期刊Field_ Crops Research（中科院一區TOP，IF=5.6）上。
論文聚焦由人工智慧、區塊鏈和數字孿生技術驅動的甘蔗智慧育種系統（圖1）。一方面介紹了甘蔗育種面臨的挑戰以及該系統的革命性架構設計，包括利用人工智慧進行甘蔗性狀的精準預測和最佳化，透過區塊鏈技術確保育種資料的安全性和可追溯性，以及運用數字孿生技術實現育種資料的實時共享。該系統強調了三層架構的構建：物理層、網路層和人類層，並詳細探討了這些層次在提升育種效率和可靠性方面的協同作用。另一方面，深入討論了該系統在縮短育種週期、提高育種效率、確保資料完整性和安全性等方面的實際應用效果，並指出了甘蔗智慧育種系統在克服傳統育種方法侷限性和實現育種體系可持續/可擴充方面的潛力。有望為人工智慧、區塊鏈和數字孿生技術在農業育種中的應用提供理論參考和實踐指導，有助於促進智慧技術與農業育種的深度融合，推動甘蔗育種的發展。
圖1 甘蔗智慧育種概念圖
智慧育種是融合了人工智慧、大資料、基因工程等前沿技術的一種新型育種方式（圖2）。傳統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，但也存在育種週期長、成本高、程式複雜等難題。文章透過引入革命性的甘蔗智慧育種系統架構，目標是實現對甘蔗育種全過程的智慧化管理。
圖2 人工智慧、區塊鏈和數字孿生驅動的甘蔗智慧育種系統架構
文章構想了一個由人工智慧、區塊鏈和數字孿生驅動的甘蔗智慧育種系統架構（圖3），並以人機物融合系統（Human-Cyber-Physical System，H-CPS）為基礎，它包括三個層次：（1）物理層：由地面感測器、無人機、機器人和通訊裝置等組成，用於收集育種環境資料、甘蔗表型資料等；（2）網路層：包括雲伺服器、5G網路、區塊鏈、人工智慧和數字孿生。物理層資料在此透過人工智慧模型進行分析，以提供產量估算、病害檢測、表型預測、優異種質資源選擇、育種改良決策等服務；數字孿生模型透過虛擬現實技術實現育種資料的流通；區塊鏈保障資料資產的安全性和可追溯性；（3）人類層：育種者透過數字孿生為系統提供額外的資料和專業知識，提升人工智慧模型的可靠性。在H-CPS架構下的這種協作，能夠顯著提升甘蔗育種效率。
圖3 人工智慧驅動下的甘蔗育種資料分析
在所提出的智慧甘蔗育種系統中，育種工作主要包括四個關鍵步驟：（1）資料採集：透過感測器、無人機、機器人等裝置，實時採集甘蔗的表型、基因型和環境資料。人工智慧演算法實時監控資料的質量，確保資料的準確性和可靠性；（2）資料分析：使用人工智慧模型對採集的資料進行分析，揭示基因與性狀之間的聯絡，輔助育種者選擇優良品種。透過分析表型資料，人工智慧可以構建甘蔗性狀預測模型，快速篩選出具有高產、高糖、抗病、抗逆和宜機性狀兼具的優良甘蔗品種（圖3）；（3）資料儲存：將採集到的育種資料儲存在區塊鏈上，保證資料的安全性和完整性。育種過程中的每一步操作都在區塊鏈上進行記錄，實現了育種資料的全程可追溯；（4）資料流通：數字孿生技術實現了資料的實時迴圈和視覺化。育種者可以透過數字孿生平臺與人工智慧模型進行互動，實時模擬甘蔗生長狀態，最佳化育種決策（圖4）。
圖4 數字孿生驅動下的甘蔗育種資料流通
中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所特聘研究員/福建師範大學副教授汪曉丁為第一作者；熱帶作物生物育種全國重點實驗室/中國熱帶農業科學院甘蔗研究中心主任/熱帶生物技術研究所/福建農林大學闕友雄研究員為該論文的通訊作者。中國熱帶農業科學院吳期濱副研究員、閩江學院楊旭副教授、澳大利亞墨爾本維多利亞大學楊學超老師、澳大利亞皇家墨爾本理工大學理學院Xun Yi教授和Ibrahim Khali教授參與研究；福建師範大學在讀碩士研究生曾海濤參與論文撰寫和修改。該研究得到中國熱帶農業科學院國家熱帶農業科學中心科技創新團隊、熱帶作物生物育種全國重點實驗室科研專項、中央公益性科研院所基本科研業務費、國家重點研發計劃以及國家糖料產業技術體系的資助。
來源：BioArt植物
文章連結：****https://doi.org/10.1016/j.fcr.2024.109588