高光效和气候模拟试验平台建设及其在水稻广适性资源筛选上的应用

丁美顺

（1.湖北谷神科技有限责任公司，武汉 430070；2.嘉鱼谷神科技有限责任公司，湖北咸宁 437214）

培育优质高产、抗病稳产的水稻品种是水稻育种的永恒命题。中国水稻育种经历了矮化育种、杂种优势利用和绿色超级稻培育三个阶段的飞跃，育种技术则从常规育种升级到分子育种和全基因组选择育种［1，2］。相较于育种方法和技术的飞速发展与迭代，水稻田间表型的评价体系则相对滞后。由于未能全面地对种质资源及品种在不同逆境下的性状进行有效评价，造成创制的种质资源和培育的品种对气候的适应性缺乏认识和了解，其结果一是培育的品种没有生命力，做不大；二是推广面积较大的品种生命力不强，普遍推广不超过3 年，市场就快速下滑甚至被淘汰，造成企业大量库存或转商，严重影响种子企业的生产经营和发展。所以，有必要建立一个综合的试验平台，通过模拟不同的逆境，筛选并培育出广适性好的品种。

水稻产量和品质由基因型和环境共同决定。基因型决定了一个品种农艺性状的潜能，环境因素包括温度、湿度、光照、水肥管理等。除了广泛研究的高温、低温、干旱、深水、盐胁迫对水稻生产造成严重影响外［3-7］，多云阴雨形成的低温寡照气候对品种表现的影响也十分明显。研究表明低温寡照多雨的气候会导致水稻的光合作用受阻以及胚乳灌浆不充分，影响水稻穗后颖花授粉，降低茎秆节间充实度，增加水稻垩白，不但破坏产量结构的形成和降低米质，也易造成倒伏［8-10］。因此研究水稻对低温寡照的耐受性或称高光效，筛选耐低温寡照的种质资源和品种是增强水稻品种广适性的重要手段和有效途径，对保障国家粮食安全和种子企业健康发展意义重大。

在自然环境下，品种经过2～3 年的试验，很难遇到各种极端气候的检验，采用人工智能技术研发可模拟各种极端气候环境的装备，是未来人工智能育种的主要研究方向，也是实现水稻抗逆性资源筛选和广适性品种选育的可行途径。

学者们在人工智能育种技术和装备上进行了一系列探索和研究，本研究介绍的高光效和气候模拟试验平台建设历时2 年，集成了国内领先的温、光、湿、气、水肥一体化人工智能控制系统，试验平台可实现对全球各种极端气候的模拟，1 年即可完成水稻品种或资源对各种极端逆环境的抗性检验。温度最高可设置为45 ℃，湿度20%～95%可任意选择，光照强度从美国加州的烈日至东南亚的暖阳以及中国南方的阴雨气候均可实现。

国内多所高校和科研院所的人工智能及育种栽培方面的专家参观考察后给予了较高评价，一致认为该装备技术国内领先、体系完整，除了可系统开展水稻种质资源的抗逆性筛选研究外，还可以进行植物的氮高效、耐盐碱等各类胁迫试验。

试验平台的先进与否除了各项性能参数设置要能满足试验设计要求外，还需要有满意的应用结果进行佐证，为此，2021 年在该平台上开展了水稻抗高温胁迫试验和耐寡照胁迫试验，试验结果体现出水稻品种间在抗高温、耐寡照能力上的差异，充分说明高光效和气候模拟试验平台设计科学合理、运行可靠，试验结果具有较好的说服力。

1 试验平台

高光效和气候模拟试验平台分为上下两层，总面积近800 m2，集成了国内外先进的光控系统、温控系统、湿控系统、换气系统和水肥一体化管理系统，形成1 个植物生长加速器和4 个气候环境模拟区，全部实现人工智能和物联网管理，通过各系统的协调运行可以模拟高温高湿、高温干燥、低温寡照和强光胁迫等各类型逆环境，通过比较水稻不同生长发育时期的性状表现，进而对水稻品种之间的抗高温、抗干旱、耐低温寡照等特性进行评价，筛选出广适性的种质资源和品种。

试验平台为半球形钢构玻璃幕墙设计，内分为上下两层。第一层主要包括一个植物生长加速器，以及2 个不同光照强度区域，加速器温度控制在30 ℃，湿度控制在65%，水肥供应采用滴灌技术，光照采用人工模拟光源。2 个不同光照强度区域的温度设置范围为-5～36 ℃，湿度可调节范围为20%～95%，采用空气能水循环控温系统和换气，光照强度可设置为500～30 000 lx，水肥供应采用NFT 栽培技术，保证栽培和种植的环境一致。

第二层采用玻璃球面设计，集光效果好，升温性能佳，正常情况下光照强度可以达到10 000～30 000 lx，湿度20%～95%，温度26～45 ℃，可根据试验需要进行选择，换气系统采用水帘降温系统，种植采用NFT 模式，保证了种植环境的水肥一致性。

2 结果与分析

2.1 寡照胁迫试验

水稻光合作用的光谱主要由红、蓝、绿3 种可见光组成，利用专门的光谱仪检测可知，鄂东南地区同期晴朗天气状况下自然光中红、蓝、绿光的光照度平均为16 000 lx，阴雨天气状况下自然光中红、蓝、绿光的光照度平均为8 000 lx；据此，设计模拟2 种光照环境，一种是光照度为8 000 lx，每天光照3 h，11：00—14：00，其余白天时间的光照度为600 lx 左右；另一种是光照度为16 000 lx，每天光照8 h，9：00—17：00，其余白天的光照度为600 lx 左右。2 组模拟的气候环境光、温、湿对比值见表1。

表1 寡照试验环境因子设置

参试品种60 个，重复3 次，试验结果表明，参试品种在不同光照条件下生长发育表现出明显差异。营养生长阶段，不同品种在适应能力、株高和分蘖能力等方面都有明显差异。60 个品种中有42 个品种不能正常生长发育，定植后2 个月内先后枯萎，有15个品种不能正常抽穗，仅3 个品种生长发育较旺盛，能够成熟结实，其中有1 个品种分蘖达40 个，有效穗达34 个，结实率达81.2%（图1）。说明不同品种受强光照和寡照气候条件的影响程度存在明显差异。

2.2 高温胁迫试验

水稻品种对高温干旱气候的耐受性十分重要，鄂东南同期自然环境下白天温度30～39 ℃，个别年份有6 d 左右气温高达40 ℃以上，为了模拟全球极端高温，试验平台夏季白天的温度可以达到45 ℃以上。根据国内水稻高温热害的相关研究成果，试验平台白天设置的温度为38～40 ℃，因设备控制系统存在误差，偶尔有时间高温达42 ℃，夜间为自然温度，一般在30 ℃左右，栽培模式采用水肥一体化NFT 自动控制系统，确保水、肥、光、温、气环境一致。

参试品种100 个，重复3 次，结果表明，71 个品种在高温条件下不能正常生长发育，从定植至分蘖期生长缓慢，拔节前先后枯萎。26 个品种营养生长正常，分蘖少不能抽穗。2 个品种有8 个以上分蘖，5个有效穗，少量结实。1 个品种分蘖达36 个，有效穗达23 个，结实率达76.2%（图2）。品种之间对高温耐受性的差异明显，也证明试验平台提供的环境条件对耐高温种质特性的筛选效果良好。

图2 品种在抗高温试验中的表现

2.3 形成完整的水稻育种流程和体系

高光效和气候模拟试验平台对水稻品种及种质资源的抗逆性筛选和验证具有高效、稳定、直观的优势，是基础理论与现代人工智能技术在水稻育种应用领域的全新探索。随着验证平台技术体系的不断完善，将分子标记和花粉双单倍体诱导与试验平台中植物生长加速器协同使用，不仅能够快速筛选出育种所需的优异种质资源和满足生产需要的广适性优良品种，还能实现品种性状的快速改良，最快只要2 年，极大地提高育种效率。为了建立完整高效的人工智能水稻等作物育种体系，同期开展了品种比较试验新体系和品种表型数据采集方法的研究，其中“品种比较试验体系和方法”已经获得国家发明专利，即将实施，其核心内容是人工智能和物联网技术在品种比较试验上的应用，该项技术不仅节省人工提高工作效率，还能实现试验数据采集的标准化和试验结果的公开透明可追溯，保证试验的科学性和公正性。

随着高光效和气候模拟试验平台的运行和人工智能品种比较试验体系和方法的应用，将形成水稻人工智能育种验证环节完整的技术体系和方法，将对行业进步产生较大的推动作用。

3 讨论

通过1 年的运行检验，高光效和气候模拟试验平台的机械性能良好，系统稳定可靠，上述试验的气候环境因子设置比较简单，试验的主要目的是验证平台的科学性和功能性。从试验结果来看，能充分体现水稻品种间抗高温和耐寡照能力的差异，说明装备可以提供试验需要的合适的环境条件，从而验证了装备具有较好的科学功能和应用价值。随着平台设备和技术的不断完善，将可提供更广泛更精准、更多样的气候环境进行更严格的科学试验。

装备中采用的人工模拟光谱是水稻光合作用的主要可见光谱，主要由红光、蓝光、绿光组成，从植物的生长情况来看，与在自然光照条件下生长情况基本一致，说明光谱设计是科学的。在自然强光下水稻单株或叶片存在光抑制反应［11，12］，但在群体种植时，光抑制作用表现不明显，主要原因是叶片相互遮光。采用NFT 栽培技术，更好地保证植株生长的相互独立和生长环境的一致性，更好地反映品种对强光和弱光的反应特性，光补偿和光饱和现象得到充分体现，通过试验获得光补偿点低、同时光饱和点高的种质资源，然后克隆相关基因，也希望从中找到抗高温耐低温寡照的种质资源，培育广适性更好的水稻品种。试验设计均是基于现有的认知水平，选择以红光、蓝光、绿光为基础的人工光源模拟自然光，虽然有一定的科学依据，但也可能存在瑕疵。

有研究报告指出，利用美国加州强光照胁迫获得的水稻资源与中国南方籼稻资源杂交的后代有较大的增产潜力，试验平台可以提供超过本地自然光照强度30%的可见光源，对胁迫诱导创新种质资源具有可能性。将用上述试验中获得的种子进行下一步的验证工作，此外，平台提供高湿的环境可以开展病害诱导和抗性研究。

由于该平台搭载了水循环温控系统和湿度分层控制系统，采用国际先进的NFT 水肥一体化栽培技术，植株移动灵活方便，无论是做接种还是做杂交，操作都十分方便。现有平台还可以进行水稻两系不育系临界温度的筛选试验、水稻病虫害诱导试验以及高肥效、耐盐碱和抗倒伏种质资源的筛选试验等。

称平台为高光效和气候模拟试验平台，主要是基于平台建设初期的设计思路。希望解决水稻品种受低温寡照影响的问题，目标是筛选出水稻耐低温寡照的种质资源，培育出抗高温、耐低温寡照的广适性水稻品种。将水稻受低温寡照的气候条件影响较小的特性归结为高光效的表现，实际上该平台除了可进行水稻育种的应用研究外，只需要对人工光源、温、湿、气进行设置调整就可以开展多种植物的育种研究、栽培研究和生理生化研究等。

高光效和气候模拟装备是团队在人工智能育种上的探索实践，无论是装备运行的稳定性，还是初步的试验结果都证明了装备技术先进、体系完整，具有较好的应用价值和前景。