高光效和氣候模擬試驗平臺建設(shè)及其在水稻廣適性資源篩選上的應用

丁美順

（1.湖北谷神科技有限責任公司，武漢 430070；2.嘉魚谷神科技有限責任公司，湖北咸寧 437214）

培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、抗病穩(wěn)產(chǎn)的水稻品種是水稻育種的永恒命題。中國水稻育種經(jīng)歷了矮化育種、雜種優(yōu)勢利用和綠色超級稻培育三個階段的飛躍，育種技術(shù)則從常規(guī)育種升級到分子育種和全基因組選擇育種［1，2］。相較于育種方法和技術(shù)的飛速發(fā)展與迭代，水稻田間表型的評價體系則相對滯后。由于未能全面地對種質(zhì)資源及品種在不同逆境下的性狀進行有效評價，造成創(chuàng)制的種質(zhì)資源和培育的品種對氣候的適應性缺乏認識和了解，其結(jié)果一是培育的品種沒有生命力，做不大；二是推廣面積較大的品種生命力不強，普遍推廣不超過3 年，市場就快速下滑甚至被淘汰，造成企業(yè)大量庫存或轉(zhuǎn)商，嚴重影響種子企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營和發(fā)展。所以，有必要建立一個綜合的試驗平臺，通過模擬不同的逆境，篩選并培育出廣適性好的品種。

水稻產(chǎn)量和品質(zhì)由基因型和環(huán)境共同決定。基因型決定了一個品種農(nóng)藝性狀的潛能，環(huán)境因素包括溫度、濕度、光照、水肥管理等。除了廣泛研究的高溫、低溫、干旱、深水、鹽脅迫對水稻生產(chǎn)造成嚴重影響外［3-7］，多云陰雨形成的低溫寡照氣候?qū)ζ贩N表現(xiàn)的影響也十分明顯。研究表明低溫寡照多雨的氣候會導致水稻的光合作用受阻以及胚乳灌漿不充分，影響水稻穗后穎花授粉，降低莖稈節(jié)間充實度，增加水稻堊白，不但破壞產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的形成和降低米質(zhì)，也易造成倒伏［8-10］。因此研究水稻對低溫寡照的耐受性或稱高光效，篩選耐低溫寡照的種質(zhì)資源和品種是增強水稻品種廣適性的重要手段和有效途徑，對保障國家糧食安全和種子企業(yè)健康發(fā)展意義重大。

在自然環(huán)境下，品種經(jīng)過2～3 年的試驗，很難遇到各種極端氣候的檢驗，采用人工智能技術(shù)研發(fā)可模擬各種極端氣候環(huán)境的裝備，是未來人工智能育種的主要研究方向，也是實現(xiàn)水稻抗逆性資源篩選和廣適性品種選育的可行途徑。

學者們在人工智能育種技術(shù)和裝備上進行了一系列探索和研究，本研究介紹的高光效和氣候模擬試驗平臺建設(shè)歷時2 年，集成了國內(nèi)領(lǐng)先的溫、光、濕、氣、水肥一體化人工智能控制系統(tǒng)，試驗平臺可實現(xiàn)對全球各種極端氣候的模擬，1 年即可完成水稻品種或資源對各種極端逆環(huán)境的抗性檢驗。溫度最高可設(shè)置為45 ℃，濕度20%～95%可任意選擇，光照強度從美國加州的烈日至東南亞的暖陽以及中國南方的陰雨氣候均可實現(xiàn)。

國內(nèi)多所高校和科研院所的人工智能及育種栽培方面的專家參觀考察后給予了較高評價，一致認為該裝備技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先、體系完整，除了可系統(tǒng)開展水稻種質(zhì)資源的抗逆性篩選研究外，還可以進行植物的氮高效、耐鹽堿等各類脅迫試驗。

試驗平臺的先進與否除了各項性能參數(shù)設(shè)置要能滿足試驗設(shè)計要求外，還需要有滿意的應用結(jié)果進行佐證，為此，2021 年在該平臺上開展了水稻抗高溫脅迫試驗和耐寡照脅迫試驗，試驗結(jié)果體現(xiàn)出水稻品種間在抗高溫、耐寡照能力上的差異，充分說明高光效和氣候模擬試驗平臺設(shè)計科學合理、運行可靠，試驗結(jié)果具有較好的說服力。

1 試驗平臺

高光效和氣候模擬試驗平臺分為上下兩層，總面積近800 m2，集成了國內(nèi)外先進的光控系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、濕控系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)和水肥一體化管理系統(tǒng)，形成1 個植物生長加速器和4 個氣候環(huán)境模擬區(qū)，全部實現(xiàn)人工智能和物聯(lián)網(wǎng)管理，通過各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行可以模擬高溫高濕、高溫干燥、低溫寡照和強光脅迫等各類型逆環(huán)境，通過比較水稻不同生長發(fā)育時期的性狀表現(xiàn)，進而對水稻品種之間的抗高溫、抗干旱、耐低溫寡照等特性進行評價，篩選出廣適性的種質(zhì)資源和品種。

試驗平臺為半球形鋼構(gòu)玻璃幕墻設(shè)計，內(nèi)分為上下兩層。第一層主要包括一個植物生長加速器，以及2 個不同光照強度區(qū)域，加速器溫度控制在30 ℃，濕度控制在65%，水肥供應采用滴灌技術(shù)，光照采用人工模擬光源。2 個不同光照強度區(qū)域的溫度設(shè)置范圍為-5～36 ℃，濕度可調(diào)節(jié)范圍為20%～95%，采用空氣能水循環(huán)控溫系統(tǒng)和換氣，光照強度可設(shè)置為500～30 000 lx，水肥供應采用NFT 栽培技術(shù)，保證栽培和種植的環(huán)境一致。

第二層采用玻璃球面設(shè)計，集光效果好，升溫性能佳，正常情況下光照強度可以達到10 000～30 000 lx，濕度20%～95%，溫度26～45 ℃，可根據(jù)試驗需要進行選擇，換氣系統(tǒng)采用水簾降溫系統(tǒng)，種植采用NFT 模式，保證了種植環(huán)境的水肥一致性。

2 結(jié)果與分析

2.1 寡照脅迫試驗

水稻光合作用的光譜主要由紅、藍、綠3 種可見光組成，利用專門的光譜儀檢測可知，鄂東南地區(qū)同期晴朗天氣狀況下自然光中紅、藍、綠光的光照度平均為16 000 lx，陰雨天氣狀況下自然光中紅、藍、綠光的光照度平均為8 000 lx；據(jù)此，設(shè)計模擬2 種光照環(huán)境，一種是光照度為8 000 lx，每天光照3 h，11：00—14：00，其余白天時間的光照度為600 lx 左右；另一種是光照度為16 000 lx，每天光照8 h，9：00—17：00，其余白天的光照度為600 lx 左右。2 組模擬的氣候環(huán)境光、溫、濕對比值見表1。

表1 寡照試驗環(huán)境因子設(shè)置

參試品種60 個，重復3 次，試驗結(jié)果表明，參試品種在不同光照條件下生長發(fā)育表現(xiàn)出明顯差異。營養(yǎng)生長階段，不同品種在適應能力、株高和分蘗能力等方面都有明顯差異。60 個品種中有42 個品種不能正常生長發(fā)育，定植后2 個月內(nèi)先后枯萎，有15個品種不能正常抽穗，僅3 個品種生長發(fā)育較旺盛，能夠成熟結(jié)實，其中有1 個品種分蘗達40 個，有效穗達34 個，結(jié)實率達81.2%（圖1）。說明不同品種受強光照和寡照氣候條件的影響程度存在明顯差異。

2.2 高溫脅迫試驗

水稻品種對高溫干旱氣候的耐受性十分重要，鄂東南同期自然環(huán)境下白天溫度30～39 ℃，個別年份有6 d 左右氣溫高達40 ℃以上，為了模擬全球極端高溫，試驗平臺夏季白天的溫度可以達到45 ℃以上。根據(jù)國內(nèi)水稻高溫熱害的相關(guān)研究成果，試驗平臺白天設(shè)置的溫度為38～40 ℃，因設(shè)備控制系統(tǒng)存在誤差，偶爾有時間高溫達42 ℃，夜間為自然溫度，一般在30 ℃左右，栽培模式采用水肥一體化NFT 自動控制系統(tǒng)，確保水、肥、光、溫、氣環(huán)境一致。

參試品種100 個，重復3 次，結(jié)果表明，71 個品種在高溫條件下不能正常生長發(fā)育，從定植至分蘗期生長緩慢，拔節(jié)前先后枯萎。26 個品種營養(yǎng)生長正常，分蘗少不能抽穗。2 個品種有8 個以上分蘗，5個有效穗，少量結(jié)實。1 個品種分蘗達36 個，有效穗達23 個，結(jié)實率達76.2%（圖2）。品種之間對高溫耐受性的差異明顯，也證明試驗平臺提供的環(huán)境條件對耐高溫種質(zhì)特性的篩選效果良好。

圖2 品種在抗高溫試驗中的表現(xiàn)

2.3 形成完整的水稻育種流程和體系

高光效和氣候模擬試驗平臺對水稻品種及種質(zhì)資源的抗逆性篩選和驗證具有高效、穩(wěn)定、直觀的優(yōu)勢，是基礎(chǔ)理論與現(xiàn)代人工智能技術(shù)在水稻育種應用領(lǐng)域的全新探索。隨著驗證平臺技術(shù)體系的不斷完善，將分子標記和花粉雙單倍體誘導與試驗平臺中植物生長加速器協(xié)同使用，不僅能夠快速篩選出育種所需的優(yōu)異種質(zhì)資源和滿足生產(chǎn)需要的廣適性優(yōu)良品種，還能實現(xiàn)品種性狀的快速改良，最快只要2 年，極大地提高育種效率。為了建立完整高效的人工智能水稻等作物育種體系，同期開展了品種比較試驗新體系和品種表型數(shù)據(jù)采集方法的研究，其中“品種比較試驗體系和方法”已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利，即將實施，其核心內(nèi)容是人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在品種比較試驗上的應用，該項技術(shù)不僅節(jié)省人工提高工作效率，還能實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)采集的標準化和試驗結(jié)果的公開透明可追溯，保證試驗的科學性和公正性。

隨著高光效和氣候模擬試驗平臺的運行和人工智能品種比較試驗體系和方法的應用，將形成水稻人工智能育種驗證環(huán)節(jié)完整的技術(shù)體系和方法，將對行業(yè)進步產(chǎn)生較大的推動作用。

3 討論

通過1 年的運行檢驗，高光效和氣候模擬試驗平臺的機械性能良好，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，上述試驗的氣候環(huán)境因子設(shè)置比較簡單，試驗的主要目的是驗證平臺的科學性和功能性。從試驗結(jié)果來看，能充分體現(xiàn)水稻品種間抗高溫和耐寡照能力的差異，說明裝備可以提供試驗需要的合適的環(huán)境條件，從而驗證了裝備具有較好的科學功能和應用價值。隨著平臺設(shè)備和技術(shù)的不斷完善，將可提供更廣泛更精準、更多樣的氣候環(huán)境進行更嚴格的科學試驗。

裝備中采用的人工模擬光譜是水稻光合作用的主要可見光譜，主要由紅光、藍光、綠光組成，從植物的生長情況來看，與在自然光照條件下生長情況基本一致，說明光譜設(shè)計是科學的。在自然強光下水稻單株或葉片存在光抑制反應［11，12］，但在群體種植時，光抑制作用表現(xiàn)不明顯，主要原因是葉片相互遮光。采用NFT 栽培技術(shù)，更好地保證植株生長的相互獨立和生長環(huán)境的一致性，更好地反映品種對強光和弱光的反應特性，光補償和光飽和現(xiàn)象得到充分體現(xiàn)，通過試驗獲得光補償點低、同時光飽和點高的種質(zhì)資源，然后克隆相關(guān)基因，也希望從中找到抗高溫耐低溫寡照的種質(zhì)資源，培育廣適性更好的水稻品種。試驗設(shè)計均是基于現(xiàn)有的認知水平，選擇以紅光、藍光、綠光為基礎(chǔ)的人工光源模擬自然光，雖然有一定的科學依據(jù)，但也可能存在瑕疵。

有研究報告指出，利用美國加州強光照脅迫獲得的水稻資源與中國南方秈稻資源雜交的后代有較大的增產(chǎn)潛力，試驗平臺可以提供超過本地自然光照強度30%的可見光源，對脅迫誘導創(chuàng)新種質(zhì)資源具有可能性。將用上述試驗中獲得的種子進行下一步的驗證工作，此外，平臺提供高濕的環(huán)境可以開展病害誘導和抗性研究。

由于該平臺搭載了水循環(huán)溫控系統(tǒng)和濕度分層控制系統(tǒng)，采用國際先進的NFT 水肥一體化栽培技術(shù)，植株移動靈活方便，無論是做接種還是做雜交，操作都十分方便?，F(xiàn)有平臺還可以進行水稻兩系不育系臨界溫度的篩選試驗、水稻病蟲害誘導試驗以及高肥效、耐鹽堿和抗倒伏種質(zhì)資源的篩選試驗等。

稱平臺為高光效和氣候模擬試驗平臺，主要是基于平臺建設(shè)初期的設(shè)計思路。希望解決水稻品種受低溫寡照影響的問題，目標是篩選出水稻耐低溫寡照的種質(zhì)資源，培育出抗高溫、耐低溫寡照的廣適性水稻品種。將水稻受低溫寡照的氣候條件影響較小的特性歸結(jié)為高光效的表現(xiàn)，實際上該平臺除了可進行水稻育種的應用研究外，只需要對人工光源、溫、濕、氣進行設(shè)置調(diào)整就可以開展多種植物的育種研究、栽培研究和生理生化研究等。

高光效和氣候模擬裝備是團隊在人工智能育種上的探索實踐，無論是裝備運行的穩(wěn)定性，還是初步的試驗結(jié)果都證明了裝備技術(shù)先進、體系完整，具有較好的應用價值和前景。