一粒高端番茄种子比黄金贵5倍，其成本的1/4却耗在工人弯腰驼背的杂交授粉上。中国科学院遗传与发育生物学研究所许操团队另辟蹊径：他们用基因编辑给花朵“烫了发”，让雄蕊卷曲开裂、柱头自然外露，再派出智能授粉机器人“吉儿”上门“提亲”。这套“BT+AI+机器人”的BAR模式，将野生种育种周期从5年压缩至1年，更让大豆杂种优势利用从“不可能”变为“可能”。
一、千亿元成本“卡”在一朵小花里
杂交育种是作物利用杂种优势、大幅提高产量的核心手段。2024年全球杂交种子市场规模达3830亿元，预计到2029年将逼近6000亿元。
然而，这项技术长期被一个微观结构“卡住脖子”——花的柱头。以番茄为例，人类在驯化过程中为了品种纯正，选择了柱头内缩、自花授粉的突变体。这虽然保证了纯度，却让杂交育种陷入困境：工人必须抢在雄蕊释放花粉前，用手剥开花瓣、摘除雄蕊，再涂抹外来花粉。整个过程需弯腰操作、精准拿捏，稍有不慎就会伤及柱头。
这笔人工成本有多高? 研究显示，仅人工去雄一项就占番茄杂交授粉成本的40%，整个授粉环节的人力成本占总育种成本的25%以上。全球每年为此付出的劳动成本高达20多亿元，整个杂交育种领域更是耗费近千亿元。
更棘手的是大豆。大豆花高度闭合，雄蕊像贝壳一样严丝合缝，人工操作需用镊子一点点剥离。尽管大豆杂交种有30%以上的增产潜力，却因制种成本过高，至今无法推广。
二、科创亮点：一场“双向奔赴”的协同设计
亮点一：给花朵“烫发”——基因编辑创制“机器人友好”花型
2017年，许操回国建立实验室之初，跑遍北京郊区听到农民抱怨“工人难雇、成本太高”。他意识到，单纯让机器人模仿人手去雄授粉难度极大——花朵小、结构复杂、机械臂难以操作。
“既然机器人进不去，那就让花自己‘开门’。”许操决定反向破题：用基因编辑重新设计花型，让花朵主动“迎娶”机器人。
研究团队瞄准植物花器官发育的“ABC模型”中的B类基因——特异调控雄蕊发育的MADS-box基因GLO2。他们没有敲除这个基因，而是精准编辑其非编码区，使原本闭合的雄蕊像“烫过的卷发”般卷曲开裂，花粉败育，柱头无需伸长便自然外露。
这一设计精妙之处在于：只改变造型，不影响功能。创制的结构型雄性不育系坐果率、种子质量完全不受影响，且该性状在512个番茄品种中均能稳定再现，摆脱了遗传背景限制。研究团队将同一策略应用于大豆，同样成功创制出柱头外露的雄性不育系。
亮点二：机器人育种家“吉儿”——AI赋能、全天候巡航
有了“机器人友好”的花朵，还需要真正的机器人来授粉。许操团队与中国科学院自动化研究所副研究员杨明浩团队合作，用12800张图像训练AI模型，使机器人能识别复杂环境中仅毫米级的柱头。
最终诞生的智能授粉机器人被命名为“吉儿”(GEAIR，Genome Editing combined with AI-based Robotics)。其核心性能数据如下：
| 性能指标 | 数据 |
|---|---|
| 柱头识别准确率 | 85.1% |
| 单朵授粉耗时 | 15秒 |
| 单次巡航授粉成功率 | 77.6% ± 9.4% |
| 作业模式 | 全天候不间断反复巡航 |
| 零部件国产化自主率 | 95%以上 |
在首农翠湖农业的现代化温室中，“吉儿”脚踩履带缓缓穿行于番茄行间，其头部摄像头如鹰眼般扫描，机械臂精准探向黄色小花，眨眼间便将花粉轻轻涂抹在柱头上。
亮点三：BAR模式——BT筑基、AI赋能、机器人劳作
研究团队进一步将“吉儿”与2018年创建的“从头驯化”育种技术及“快速育种”技术结合，建立了智能育种工厂，提出“BT筑基+AI赋能+机器人劳作”(BAR)智能育种模式。
在这一模式下，野生近缘种的育种利用周期由原来的5年缩短为1年，且大幅节省人工，释放了野生种质在提升抗逆和口感特性方面的巨大潜力。
三、应用前景：从番茄到大豆，从地面到太空
1. 大豆杂交种从“不可能”到“可能”
大豆花小如米、花期极短、完全闭合，人工杂交难如登天。研究团队将“吉儿”系统应用于大豆，首次实现结构型大豆雄性不育系快速创制，使用该不育系可节省76.2%人工授粉操作时间。这意味着长期“沉睡”的大豆杂种优势有望被唤醒，为我国率先突破大豆杂交育种、大幅提高单产提供了关键技术装备。
2. 智能育种工厂批量创制新种质
结合“从头驯化”和“快速育种”技术，智能育种工厂可批量快速培育风味浓郁的口感番茄和抗逆丰产的优质番茄新种质。这不仅释放了作物野生近缘种的育种潜力，也为应对气候变化下的品种快速迭代提供了可能。
3. 从授粉到采摘的功能拓展
研究团队透露，将“吉儿”机械臂上的粉刷换成抓手，就能实现自动采摘。未来，随着技术进步，这套系统有望在太空农业中发挥作用——为人类深空探索提供食物保障。
四、产业意义：从“三系/两系配套”到“机器人配套”
《细胞》国际审稿人评价这项研究：“这是一项激动人心的突破，基因编辑、人工智能和机器人技术的结合，将引领植物育种的巨大飞跃。”
许操将其意义概括为：将杂交育种从“三系/两系配套”推进到“机器人配套”时代。这套BAR模式为破解全球杂交育种成本高、效率低的共性难题提供了“中国方案”，也为“AI for Science”在农业领域的落地展现了广阔前景。
农业农村部科学技术司司长周云龙在调研时强调，共性育种技术和共性智能装备是智慧农业和农业现代化的“双驱”，团队要继续保持引领优势，拓展到更多重要粮食和经济作物。
来源：中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国科学院自动化研究所；作者：通讯作者许操，第一作者谢跃、张廷浩、杨明浩；题目：Engineering crop flower morphology facilitates robotization of cross-pollination and speed breeding(通过作物花型重塑实现杂交授粉机器人化与快速育种)；发表于：Cell(《细胞》)。
