咬開一顆汁水飽滿的西紅柿，你可能會注意到果肉間一顆顆芝麻粒大小的黃綠色種子。但你可能不知道，一粒高端番茄種子能賣到15~20元，一克種子約200-300粒，售價可達4000元，是黃金價格的五倍。
也很少有人知道，價格“比黃金還貴重”的番茄種子，有四分之一的成本都花在了人工去雄、授粉等耗時耗力的雜交育種流程上——全球每年為此付出20多億元勞動成本。而若就全球雜交育種來說，這一高度重復性的流程更是會耗費近千億元。如何讓這一過程變得更加智能、高效？這是全球科學家數十年來追求的目標。
8月11日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所（以下簡稱遺傳發育所）研究員許操團隊與合作者發表在《細胞》的一項研究，為這個千億元的產業困局撕開一道口子：他們用基因編輯給番茄等作物的花朵“換造型”，讓花朵變得對授粉機器人更加“友好”。他們還研制出世界首臺自動巡航授粉機器人“吉兒”（GEAIR）——這臺帶著履帶的“機器人育種家”，正把雜交育種從彎腰弓背的苦差事，變成機器24小時連軸轉的輕巧活兒。
“這是一項激動人心的突破，著實令人興奮，通過將基因編輯、人工智能和機器人技術相結合，將引領植物育種的巨大飛躍。”該刊國際審稿人如是評價。
北京首農產業園，自動巡航授粉機器人“吉兒”正在工作。千億產業卡在小花里
“你看看這兩朵番茄花。”北京奧運村遺傳發育所的辦公室內，許操指著電腦屏幕上的番茄花形態圖向《中國科學報》記者對比說。
跟著許操的講解，可以看到其中一朵淡黃色的花朵柱頭外露，雄蕊低伏在柱頭的周圍；而另一朵同樣顏色的花朵則柱頭內縮，被雄蕊緊緊包裹在內部。
許操介紹，野生番茄原本柱頭外露，靠蜜蜂、蝴蝶等昆蟲傳粉，遺傳多樣性豐富。但人類在馴化過程中，為了保證品種純正，選擇了柱頭內縮、自花授粉的突變體——但這個“優點”卻成為現代雜交育種的一個“枷鎖”。
人工馴化的自花授粉番茄，柱頭被雄蕊緊緊包裹在內。眾所周知，遺傳學領域的“雜種優勢”會讓雜交后代表現出更優異的產量、口味、繁殖力等特性。當前，雜交種子在保障糧食安全方面的作用舉足輕重。比如，2024年，全球番茄雜交種市值為85.4億元，雜交種已占番茄商品種的90%以上。而就全球種子市場來說，雜交種子的規模更是高達3830億元。
然而，由于柱頭內縮的植物很難獲得外來花粉，甚至完全被雄蕊“鎖在閨房”，與外來花粉絕緣。農民想要育出雜交種，就得先“開鎖”——拔去雄蕊后再授粉。這個過程需要依賴熟練工人，效率低，成本高，可謂是全球育種行業的“卡脖子”難題。拿番茄來說，相關人工費用可占總育種成本的25%以上，僅人工去雄一項就占番茄雜交授粉成本的40%。
“去雄時，工人要用手輕輕剝開花瓣，把雄蕊摘除，不能碰傷柱頭，不能傷到胚胎。他們得彎著腰挨個給一朵朵只有1厘米大的花去雄、授粉，有時眼睛都看花了。”許操說，“而且窗口期極短——要在雄蕊未釋放花粉前將其摘除，否則其一旦成熟，就無法實現雜交。”
問題更嚴峻的是大豆。因為大豆花更小，雄蕊像貝殼一樣完全閉合，沒有絲毫縫隙，而且大豆植株較矮小，工人操作時得蹲著，用鑷子一點點剝。“大豆雜交種增產潛力超30%，但因為人工育種成本太高，至今無法推廣。我國85%的大豆依賴進口，這也是一個制約因素。”許操說。
2017年，許操博士后回國后到遺傳發育所建立實驗室之初，曾跑遍北京郊區的種植戶，聽到農民抱怨：“人工難雇，成本越來越高。天氣不好，授粉的熊蜂都不出巢，還得人工補粉。年輕人誰愿意干這個？”
農民們抱怨的問題成了許操的研究“課題”。從那時起，許操就堅定地認為：“農業研究不能‘兩腳不沾泥’——就像炒菜得有‘鍋氣’，農業研究也得有‘土氣’，要能解決真問題。”
許操（后排右二）與課題自成員，前排右一、右二維本文共同第一作者謝躍、張廷浩。剪出“大熊貓”“新花樣”
如何打開這把鎖？一開始，許操的想法是讓機器人去“撬鎖”——識別花朵、去掉雄蕊、精準授粉。但試了半年，他們失敗了——這件事就像給花朵“動手術”，但卻與醫學上的手術機器人僅在一個地方進行微觀操作不同，大棚里的機器人需要不斷移動，加之花朵小而復雜，機械臂很難突破。
思來想去，許操決定“反向破題”：讓植物自己“開門”。
“機器人時代的作物，就該有機器人時代的花型！如果讓作物性狀朝前走一步，長出雄性不育的花朵；然后機器人再跟進，完成授粉，或許能實現目標。”他這么想。
實際上，找到柱頭外露、雄性不育的性狀，一直是育種學家夢寐以求的目標。一直以來，國內外很多科學家都在嘗試通過自然變異或大規模遺傳誘變獲得理想花型，但這些方法不僅難度大、周期長，也往往可遇不可求。即便得到了材料，也需經年累月的雜交才能將有效基因導入到目標材料中。
許操帶領團隊決定另辟蹊徑，利用基因編輯技術這一新利器“訂制出”理想的性狀。他們的想法源于植物遺傳發育學領域著名的“ABC模型”：植物花器官的發育由A、B、C三類基因控制，其中B類基因控制雄蕊的發育。“如果能夠精準調控B類基因，是不是就能夠給雄蕊變個形？”許操想。
他把這個艱巨的任務交給了“開門弟子”謝躍，這位來自云南的博士生一頭扎進了實驗里，給芝麻粒大小的種子“做手術”，開展基因編輯，然后讓其萌發和生長。2019年的一天，科研大樓旁溫室里的一株番茄開花了：雄蕊“像燙過的卷發般”裂開，柱頭光禿禿地露在外面——這正是育種家夢寐以求的“結構型雄性不育系”！
當時，課題組的人心里都樂開了花。謝躍帶著剛入組的師弟張廷浩跑到溫室看花，興奮之意溢于言表：“快看我們的‘大熊貓’！”
這株“大熊貓”里藏著關鍵突破：研究團隊并未敲除GLO2基因，而是精準編輯了它的非編碼區，從而讓雄蕊卷曲開裂，花粉敗育，柱頭自然外露。更令人驚喜的是，這一性狀在512個番茄品種中均能穩定再現，且坐果率、種子質量毫發無損。“這就像給頭發燙卷，只改變造型，不影響頭發生長。”許操笑著比喻說。
柱頭外露的“基因燙發”突變體番茄。研究團隊進一步將該策略應用于大豆，同樣成功創制出柱頭外露的雄性不育系，可節省76.2%人工授粉操作時間，為我國突破大豆單產提升瓶頸，率先實現大豆雜種優勢利用，推動智能自動化雜交育種提供全新科技方案。
回憶走過的路，許操笑言，有人曾笑他們“瞎鼓搗”：“花就是花，還做什么機器人時代的花。”不過，一次學術報告上，當許操展示了若干張經過基因編輯后的大豆雄性不育花朵圖片后，臺下許多專業人士都聽得非常興奮。有位老專家說：“這是了不得的事，要是大豆雜交育種真能推廣，能很大程度上解決中國大豆的單產難題！”
研究至此，許操他們已經實現了育種家們數十年來追逐的目標，相關成果已經可以發表一篇國際專業頂刊論文，但許操決定按下不發：“故事才講了一半——植物開了‘門’，還得靠‘機器人’來授粉。”
其實，許操知道，謝躍和張廷浩兩個小伙子當時到實驗室，是沖著“頂天”的課題——探索未知前沿而來的。當他分享了自己關于科研應該“頂天立地接地氣”的看法后，兩個小伙子被說服了，師徒三人一致決定：“一鼓作氣實現機器人雜交育種。”
解鎖機器人育種未來版圖
讓機器人給花朵授粉需攻克三重技術壁壘：一是識別花朵、定位朝向；二是精度達到毫米級，定位更小的柱頭；三是操作力度適宜，不能挫傷柱頭、影響坐果。
為解決難題，2021年秋天的一個晚上，謝躍和張廷浩連夜打包兩盆開花的番茄，小心翼翼地固定好，次日一大早便帶著番茄登上高鐵，千里迢迢遠赴合肥求合作。“全程都怕被碰壞了，像護著新生兒。”張廷浩笑著說。首次合作雖未果，卻堅定了他們的信念：作物改造與機器人研制必須“雙向奔赴”。
后來，他們又與中國科學院自動化研究所副研究員楊明浩和研究員韓華、上海交通大學教授連文昭、清華大學教授陶建華等科學家合作，用12,800張圖像訓練AI模型，使機器人能識別復雜環境中僅毫米級的柱頭。基于此，他們研發了智能育種機器人“吉兒”——其柱頭識別準確率可達85.1%，每授粉一個花朵僅耗時15秒，可以全天候不間斷進行反復巡航授粉以確保每朵花成功授粉坐果。
當研究團隊把論文投遞給《細胞》后，收到了四位審稿人的積極回復。其中一位審稿人肯定地寫道：“這項突破激動人心！僅僅在5年前，我與同事曾假設這些技術可能引領植物育種的跨越式提升，如今看到成果展示，著實令人興奮。作者在研究中將技術應用于番茄，但其概念可以擴展到所有作物育種場景，因為雜交授粉是所有物種面臨的主要瓶頸。”
在北京昌平的實驗基地和首農集團的現代化農業產業園，“吉兒”已經實現應用，它會行走在特制的軌道上，緩緩穿行在一行行番茄之間。隨著其頭部的攝像頭如鷹隼般地掃過植物，插著粉刷的機械臂會精準探向黃色小花——眨眼間的工夫，就能將花粉輕輕地涂抹在柱頭上。
工作中的“吉兒”。據介紹，“吉兒”的零部件國產化自主率已達95%以上，整機成本極具應用前景。“有了‘吉兒’，我們相當于把雜交育種‘三系/兩系配套’推進到‘機器人配套’時代。”許操對《中國科學報》說。更深遠的意義則是范式革新，該團隊提出用“生物技術（BT）筑基+人工智能（AI）賦能+機器人（ROBOT）勞作”的BAR模式，替代沿用半個多世紀的傳統人工雜交育種方式。
這項技術還有著更廣闊的應用場景：將“吉兒”機械臂上的粉刷換成抓手，還能實現采摘。“未來，隨著技術的進步，也許我們真的能在太空中利用機器人種植、管理和采摘蔬菜，為人類深空探索提供食物保障。”許操展望說。
“那么，你們覺得做基礎和應用研究哪個更興奮？”采訪最后，記者問許操的兩位博士弟子。
謝躍的回答是：“各有各的興奮點。基礎研究可能會刷新人類的認知，應用研究則會為人們提供更多實用性的東西，兩者結合就能取長補短。”
“科研中總是師生相長，師生之間的同頻共振、默契合作是研究得以順利推進的重要因素。對科研充滿熱愛、遇到困難和質疑堅持不懈的學生，對于導師來說也是強有力的‘強心劑’！”采訪最后，許操說。（本文圖片均由受訪者提供）
相關論文信息：
https://doi.org/10.1016/.cel.2025.07.028
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