走進南京農業大學前沿交叉研究院（以下簡稱“交叉研究院”）的溫室，一排排正在生長的水稻、大豆、小麥萌發勃勃生機。與眾不同的是，這些作物“頭頂”，架設著一套特殊的探測器，它一邊移動，一邊將作物生長的信息拍攝下來。科研人員再利用人工智能等技術分析這些信息，破解作物生長的奧秘。

“葉片長寬、顏色等結構和生理生化指標，都是作物表型。研究表型與基因和環境之間的關系，可以篩選出人類需要的優異種質資源，進而培育優良品種，例如高產、耐鹽堿品種。”3月19日，交叉研究院副教授金時超蹲在溫室中向記者介紹他們開發的作物時空表型一體化觀測體系。

在他身邊，是正在運行的“種子萌發表型監測平臺”。該平臺上擺放了浸泡在兩種不同鹽濃度下的20個水稻品種的3000粒種子，可根據試驗要求自動設置采集發芽率、根長、芽長的時間及頻次。在過去的3個月里，該平臺已分批次成功采集了300個品種的種子發芽動態表型數據。

2024年以來，南農已經與8家企業簽署“表型組學”相關的技術轉化項目，幫助對方記錄作物表型，篩選優良品種，全年成果轉化累計簽約金額約3800萬元，累計創造上億元生產價值。

表型監測系統正在監測大豆生長。金時超供圖

8年攻關為植物作動態畫像

“不同品種的水稻，產量、品質和抗性都不一樣。哪些表型可以表征品種之間的差異，這些差異背后的調控機制是什么，都是表型研究的重要方向。”在交叉研究院的溫室，金時超指著正在發芽的水稻表型監測系統向記者介紹。

在溫室一角，一株盆栽的大豆被擺放在一個特殊的“體檢艙”里。大豆上方，則搭建有一條滑軌，載著一個機頂盒大小的“植物三維重建與表型監測平臺”，系統下方則固定著兩臺微型相機。隨著系統在滑軌上移動，相機開始拍不同角度的小麥。不久后，這些拍攝的畫面在電腦里生成一幅大豆的“數字孿生圖”。不同生長期的大豆葉片顏色、紋理、株高、冠幅、葉面積指數、葉傾角分布、生物量等指標都將根據小麥真實的生長情況建模。

“在這個基礎上，我們再施加不同的光強、溫濕度、栽培技術，就可以模擬在真實農業場景中的作物長勢，從而篩選高產品種，比如耐密植大豆品種。”金時超說，目前，團隊已經生成了2000多株大豆和1600多株水稻的數字孿生圖。

表型監測系統正在監測大豆生長。金時超供圖

眼前的這些作物表型監測設備，已是歷時8年，迭代了多次的4.0版本。“我們下決心要推動植物表型組學系列設備、數據庫搭建、模型構建等全面自研的進度。”南農植物表型組學交叉研究中心首席科學家丁艷鋒教授表示。

8年間，交叉研究院植物表型教育部工程研究中心的一支平均年齡不超過40歲的科研團隊，連續攻克了植物表型研究的目標定位、性狀提取、變化監測和交叉應用的等一系列關鍵技術難題。這些技術有效提高了傳統人工調查的精度、效度及效率，也為新性狀的發掘提供了關鍵技術支撐。

如今，科研人員可以輕便地將4.0版植物表型設備帶到田間地頭，用于觀察植物長勢，實現單株檢測，進行多尺度三維表型提取，預測種子發育情況。

南京農業大學作物表型組學交叉研究中心。金時超供圖

建成多個全球最大AI表型數據集

隨著技術裝備的不斷迭代，其觀測領域愈發廣泛。“目前，除主要糧食作物以外，植物表型監測裝備已經可以分析花卉、蔬菜、果樹、牧草等經濟作物。”盛馨舉例，在大豆育種領域，團隊基于三維數字孿生數據，構建了大豆葉柄和冠層輪廓等表型提取算法，實現了大豆耐密植新性狀發掘和優異資源鑒定。在水稻栽培領域，團隊研發了三維光截獲模擬算法，揭示了水稻理想株型品種的光截獲新規律，提供了理想株型定量評價的新方法。

“新技術就像記錄人的高矮胖瘦一樣，為我們記錄每一株大豆的株型緊湊程度提供了可能，為耐密植大豆優異種質資源鑒定提供了新手段。”南農國家大豆改良中心副教授張焦平說。

有了全球領先的表型組學設備的數據，前沿交叉研究院的生物信息學中心，也成為數據分析演算的“寶藏機構”。

盛馨介紹，中心依托生物信息學省級重點學科，瞄準基因組學前沿建立了一套完整的高通量數據產生、分析體系，構建了開放共享的生物信息分析平臺，從事生物信息學、計算生物學、人工智能及大數據的理論、方法的研究，為可交互的軟件平臺和大數據分析提供大量服務。

“目前該平臺具備每秒1.003×101?次雙精度浮點運算的能力，200多個專業分析軟件，3000多用戶，年度平均算力資源使用率約95%。”盛馨說。

借助生物信息學中心的縝密運算，2024年10月，南農滕年軍教授團隊領銜公布世界上首個正式報道的超大植物基因組——百合高質量染色體級別基因組。

盛馨介紹，目前生物信息學中心還成功集成了小麥、大豆、梨樹、菊花等多個全球最大AI表型數據集等一大批農業生物基礎性戰略數據資源，為智慧農業育種搭建了高效安全的平臺。

跨界融合推動產業進程

手握研究“利器”，坐擁研究數據，如何讓躺在實驗室的成果指導農業生產，成為南農前沿交叉研究院又一個使命。

2024年12月，合肥科晶生物技術有限公司與南農合作共建“AI生物模型產業研究院”項目正式簽約。

“希望我們圍繞AI大模型+生物大數據的產業化進程展開合作，建立以生物數據集成、存儲、分析為核心的智能化平臺，構建覆蓋數據采集到AI建模的全產業鏈體系。”合肥科晶生物技術有限公司董事長朱也對合作充滿期待。

今年以來，南農還相繼與南京江北新區生物醫藥公共服務平臺、南京溧水區、衛崗乳業等多家單位開展全面戰略合作，打通農業與健康前沿領域科技成果“發現、驗證、轉化、應用”全鏈條，打造高校科技成果轉化和交叉復合型人才培養新樣板。

如今，在田間地頭“解剖”植物生長密碼的南農表型組學裝備，即將迎來5.0版本，金時超說，表型觀測將與通用智能和低空經濟深度融合，采用多智能體組網協作模式，實現跨時空感知、決策和執行，這將推動作物時空表型組學理論與方法的發展，賦能農業科技創新和產業轉型升級。

“我們希望以推動優質學科深度交叉融合為催化劑，以服務健康中國戰略和農業強國建設的歷史契機，推動原始創新和關鍵核心技術攻關，深耕前沿基礎科學研究，聚力行業共性技術研發，統籌推進教育科技人才科研協同發展，為強國建設和未來農業、大健康發展提供強有力的科技和人才支持，彰顯高質量發展支撐力。”南農校長陳發棣表示。

【科技日報】為植物作“動態畫像”，破解“隱藏的密碼”

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