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【中国科学报】植物研究“表型时代”需要中国声音

2019-10-25  土豆土匪

■本报记者李晨

“对植物的系统研究来说,表型组学研究占据决定性地位。表型是第一性的,基因型是第二性的。研究植物首先从表型开始。”10月23日,由南京农业大学、国际植物表型组织主办的第六届国际植物表型大会在南京举行。中国工程院院士盖钧镒认为,农作物表型和基因研究的深度和广度,直接影响着种质资源利用效率和现代种业的可持续发展。

进入“表型时代”

近年来,植物基因组学研究已取得巨大进展。在获得海量作物基因组信息之后,全球科学家面临着一个全新的挑战:如何高分辨、高效率地解析基因功能、植物表型及环境响应三者的相互作用机理,以及植物表型与产量、品质和抗性之间的关系。

植物表型是指能够反映植物细胞、组织、器官、植株和群体结构及功能特征的物理、生理和生化性状。

盖钧镒告诉《中国科学报》,传统上,作物表型,特别是涉及作物的产量,要等“长出来”才能“看见”;而作物的抗病性,要等发病了才知道;作物的抗虫性也需要在田里观察。于是,如何快速、准确地测定多种作物的表型,就成为新的科研问题。

“表型研究可以在基因型和表型之间架起一座桥梁。”南京农业大学副校长丁艳锋教授在接受《中国科学报》采访时表示,随着机器人技术、人工智能技术、传感器技术、高通量成像技术的不断发展,表型研究实现了以前靠人工无法实现的事情。

1985年开始从事作物表型研究的日本科学技术振兴机构超先端研究总负责人、东京大学名誉教授二宫正士告诉《中国科学报》,过去几年,他的团队将图像分析与深度学习相结合,利用无人机拍照,对作物器官,如穗、花序、果实等,进行精确检测和计数。

如果靠人工,数清楚一万株高粱上面有多少穗,不仅要砍掉高粱,而且要耗费一周时间。但用无人机图片加深度学习,只需要10分钟,而且无须破坏高粱。

这样,不用等到成熟期,育种学家就可以提前预测作物产量,筛选出表现好的品种,从而大大缩短选育时间。

“表型组学研究将推动高通量、大数据、精准生物信息的生命科学时代到来,成为发展现代种业、智慧农业、智能装备的重要利器。我们要加大力量促进作物表型研究。”丁艳锋说,现在测定基因序列的能力很强,但是获取表型的能力还很弱。

全球积极布局

产量、穗粒结构、抗病性、株型、抗倒指标、根部形态等育种目标性状,叶面积、干物质、氮含量、生育期、光合效率等生理特征……“表型是生命体可以观测的一切性状和特征,是基因型和环境互作的结果。”丁艳锋介绍,表型研究需要高速、准确地获取田间作物的大数据信息。

因此,表型组学的支撑学科包括数学、生物学、系统科学、统计学等,其应用范畴也包括诸多学科。丁艳锋认为,表型组是推动学科交叉融合、培育新型学科增长点的“利刃”。

国内外表型组学已经呈现出五大发展趋势:由科学家个人兴趣转向规模化的合作研究,表型检测手段由单一转向综合化、智能化,由单一尺度转向多尺度联合分析,由关键时间点转向全生命周期连续观测,由组内关联分析转向组间关联分析。

目前,美、英、法等主要发达国家都在积极布局,相继出台国家级研究计划。

例如,美国正在开发小型、高精度的定性分析设备,同时美国国家科学基金会已将“理解生命规律,通过基因型的鉴定来预测表型”作为六大科学前沿之一;法国重视室内外植物环境动态互作分析和生长预测模型;英国精于遥感技术和基于机器学习的计算机视觉、图像分析的表型研究;澳大利亚开发了一系列检测各类田间作物生长表型的技术手段;德国研发了大规模可扩展的表型数据采集技术和自动化数据分析方法;荷兰关注室内植物表型自动化筛分系统以及可控环境中的植物形态特征分析。

盖钧镒认为,南京农业大学正在筹建的作物表型组学重大科技基础设施项目,将在全球范围内组建跨学科研究团队,引领农业植物科学发展,保障国家粮食安全。

需要“中国方案”

“作物表型研究对全球粮食安全而言意义重大,它是育种的基础,能够帮助科学家准确培育出人们需要的新品种。只有加速推进作物表型研究,才能不断推出新品种用于生产。”盖钧镒说。

这一观点得到与会专家的支持。

二宫正士认为,粮食安全不仅在中国,在世界范围内也是急需解决的问题。“我希望通过与南京农业大学合作,为解决这个问题贡献自己的力量。”

澳大利亚联邦科学与工业研究组织首席科学家、昆士兰大学教授ScottChapman告诉《中国科学报》,植物表型研究对全球农业生产和可持续农业发展意义重大:在作物育种领域,表型技术可以培育出更高产高质的品种,同时这些新技术可以用于实际农业生产,帮助农业管理。他希望通过深入的国际合作贡献一份力量。

南京农业大学科学研究院常务副院长姜东指出,国外科学家更多研究小麦、玉米,我国科学家则更多关注水稻、大豆、棉花等作物,而检测装置、算法都要自主开发。

据介绍,目前南京农业大学作物表型组学研究重大科技基础设施建设项目已列入《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》后备项目。

丁艳锋表示,在前期筹备过程中,南京农业大学已经与英国、法国、德国、荷兰等国家的研究机构合作共建了多个国际联合研究中心;研制了一批拥有自主知识产权的表型研究设施;开办了全国首个人工智能(农业)专业,构建了从本科生、研究生到博士生的人才梯队。

《中国科学报》 (2019-10-25 第1版要闻)

原文链接:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/10/350528.shtm

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