AI育種，迎來(lái)“基因科學(xué)家”

“我們這些田間地頭的育種人，也用上AI科技了。”近日，“豐登”聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)收到了廣西大學(xué)從事水稻分子育種的科研人員黃福鋼發(fā)來(lái)的感謝消息。

2024年4月，由上海人工智能實(shí)驗(yàn)室、崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等科研單位組成的聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)，發(fā)布“豐登·種業(yè)大模型”。經(jīng)過(guò)科研攻關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)在大模型的基礎(chǔ)上于今年7月推出生物育種領(lǐng)域的科研智能體——“豐登·基因科學(xué)家”，輔助科研人員探索和驗(yàn)證未知的基因功能。

作物育種的關(guān)鍵在于通過(guò)基因組精準(zhǔn)設(shè)計(jì)優(yōu)化農(nóng)藝性狀。自2005年水稻全基因組測(cè)序完成以來(lái)，多國(guó)投入大量資源致力于基因功能解析，但進(jìn)展緩慢。傳統(tǒng)育種研究高度依賴專家經(jīng)驗(yàn)，從提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)到驗(yàn)證結(jié)論，往往需耗時(shí)數(shù)年，且成功率有限。

“這就像面對(duì)一本寫(xiě)滿未知符號(hào)的天書(shū)，我們只能零星破譯幾個(gè)字符，育種效率難以提升?！毖轮轂硣?guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員、“豐登”項(xiàng)目聯(lián)合負(fù)責(zé)人楊帆說(shuō)，育種歷史記錄數(shù)據(jù)、作物生物測(cè)序數(shù)據(jù)、農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)和種養(yǎng)管理數(shù)據(jù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)事關(guān)育種成敗，“尤其是近年來(lái)極端氣候事件頻發(fā)，農(nóng)田環(huán)境條件和作物生產(chǎn)模式已與過(guò)去大不相同，依靠人工經(jīng)驗(yàn)的育種成功率更加有限。”

如何讓AI學(xué)會(huì)像育種專家一樣思考？研究團(tuán)隊(duì)用海量數(shù)據(jù)訓(xùn)練智能體，使其具備精準(zhǔn)識(shí)別基因與性狀的關(guān)系、“基因—性狀”關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)、育種實(shí)驗(yàn)推理與設(shè)計(jì)的能力。水稻版本“豐登·種業(yè)大模型”自今年5月向全球開(kāi)放以來(lái)，已有來(lái)自國(guó)際水稻研究所、印度中央水稻研究所等國(guó)際權(quán)威育種機(jī)構(gòu)使用。

楊帆說(shuō)，通過(guò)對(duì)基因功能的快速解析，育種科研人員可更精準(zhǔn)地組合優(yōu)良等位基因，實(shí)現(xiàn)定制化育種目標(biāo)——既包括高產(chǎn)、抗病、抗逆等傳統(tǒng)性狀，也可涵蓋營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化、風(fēng)味改良等新需求。

“這不僅是在教AI育種知識(shí)，更是在傳授科學(xué)發(fā)現(xiàn)的方法。”上海人工智能實(shí)驗(yàn)室研究員、“豐登”項(xiàng)目聯(lián)合負(fù)責(zé)人董楠卿表示，“我們要讓AI學(xué)會(huì)如何讀懂育種科學(xué)家的需求、找到匹配的基因，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證結(jié)論，甚至自我糾錯(cuò)。”

通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練，“豐登·基因科學(xué)家”逐步具備一定的“科研能力”。它能夠模擬專家推理過(guò)程，自動(dòng)完成從提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)到分析結(jié)果的完整流程。在驗(yàn)證中，研究團(tuán)隊(duì)選取了水稻、玉米的數(shù)十個(gè)未報(bào)道基因，除具體實(shí)驗(yàn)操作外，關(guān)鍵科研決策由“豐登”向科研人員提供。

在水稻研究中，“豐登”發(fā)現(xiàn)了多個(gè)基因的新功能——有的通過(guò)調(diào)控植物激素影響株高，有的與光合效率密切相關(guān)；在玉米研究中，“豐登”精準(zhǔn)預(yù)測(cè)出與株高、穗位等性狀相關(guān)的候選基因，與田間試驗(yàn)結(jié)果高度一致。

“豐登·基因科學(xué)家”只是起點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步系統(tǒng)將持續(xù)融入更多作物數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和育種知識(shí)，向覆蓋全物種、全流程的智慧育種平臺(tái)演進(jìn)。（黃曉慧）