农业国之重器“神农设施”

开启育种4.0时代

在中国科学院武汉植物园光谷园区，国家作物表型组学研究设施（简称“神农设施”）已完成预研，实现人工智能可控的全生境模拟，在全球处于领先地位。2024年2月，“神农设施”基础设施建设正式启动。

“神农设施”占地面积近67公顷，将成为我国农业领域首个国之重器。湖北位于亚热带与温带气候过渡地带，适合国内主要农作物生长。武汉地处“长江经济带”中部城市群，占据“九省通衢（qú）”的地理优势和生态优势，在农业科技战略和国民经济中占有重要地位。

“神农设施”由中国科学院遗传与发育生物学研究所牵头，南京农业大学、华中农业大学、武汉理工大学，以及中国科学院武汉植物园参与建设。

作为国际最大规模的顶级作物表型组学鉴定设施，“神农设施”可针对不同作物的性状和特征开展鉴定与分析，包括株型、产量、耐旱涝、耐寒热、抗病虫、耐盐碱、养分利用、光合作用，以及品质等。它能够每年完成50万～100万株植物的基因型、主要表型特性和相关大数据的采集与解析，实现育种过程的设计性、预见性和可控性，提高育种效率1倍以上，成为育种技术迭代升级的利器。

种子被称为农业的“芯片”，种业是国家战略性、基础性核心产业。保障粮食安全、种业研究和创新，以及培育突破性重大品种非常重要。植物表型研究被公认为世界第三次粮食产量跨越的科技前沿。

组建顶尖科研团队

植物表型是指植物群体和个体可以通过一定手段测定的结构和功能特征等具体表现，比如西红柿的大小和口感、玉米的糯性和甜度、棉花纤维的颜色、花的形状颜色等都是表型。基因（内因）与环境（外因）共同决定了表型。

植物表型组学是研究植物的生长、表现和组成的科学，它的研究对象小至核苷酸序列细胞，大至组织、器官种属群体的所有表型集合，并且可以进一步整合到基因组学研究中。

联合国粮农组织公布的数据显示，到2050年，全球人口可能达100亿，粮食产量需要增加70%才能保障未来食物需求。在土地资源有限的前提下，不断提高单位面积产量是保障粮食安全的唯一途径。继基因组之后，植物表型组学成为生命科学又一个战略制高点和原始创新源，是面向世界种业科技前沿和农业产业的主战场。

近年来，我国在植物表型组学研究领域取得重大进展。

2013年，中国农业科学院生物技术研究所在中国农业科学院的国际农业高新技术产业园，建成了我国第一个全自动高通量3D成像植物表型研究平台。

2014年，华中农业大学和华中科技大学联合研制了一种全生育期高通量水稻表型测量平台。

2017年，南京农业大学创建了国内高校第一个作物表型组学交叉研究中心。

打造智能光照系统

中国科学技术大学先进技术研究院刘文教授率领的研究团队，主导设计并建设的智能光照系统，是“神农设施”的预研项目之一。

通过这套系统，他们完成了经过人工干预太阳光条件下和人工补光条件下，水稻、小麦、玉米、大豆等主要作物生长探索实验，实现植物主要生理参数测试。该系统能够分离植物萌芽、生长、开花、结果和育种所需的约10%的可见光，同时将剩余80%以上的光通过槽形发光器进行反射，集中到一块标准的太阳能电池板上，再产电。

由于植物的最佳生长都只需要吸收特定范围的光谱，刘文及其团队的思路是测量出不同植物吸收的光谱，然后根据光谱数值设计光谱比，再利用独特的薄膜技术分离太阳光谱，让每种植物类群能够精确吸收生长所需的光谱。他们提出并发展了一种能选择性透过红光和蓝光的薄膜，它由多层高分子薄膜组成，通过调控每层薄膜的折射率和厚度，不同波长的光会在不同折射率的界面处干涉叠加，最终特定波长的光可以透过薄膜，其余部分光反射。

目前刘文研究团队已经建立了一个实际示范及实验系统，完成人工选择阳光条件下和普通光照条件下3种农作物（黄瓜、竹叶菜、生菜）生长情况的对比实验。实验表明，在光照充足的春季使用滤光膜可以帮助实现作物增收、改善作物品质等。

愿“神农设施”早日完工，为我们的种业崛起建功立业。