农业领域首个国之重器！“神农设施”武汉开建

本文转自：长江日报

我国大科学装置建设稳步推进

农业领域首个国之重器！“神农设施”武汉开建

央视《新闻联播》神农设施报道截屏。

我国大科学装置建设稳步推进，科研成果持续涌现，创新支撑发展能力不断增强。

3月30日，位于广东东莞的中国散裂中子源二期工程建设启动。二期工程将在目前已建成的中国散裂中子源一期装置基础上建设11台中子谱仪和实验终端。

今年以来，我国大科学装置建设稳步推进。在粤港澳大湾区，围绕信息、材料、海洋、能源等重点学科领域，目前已布局先进阿秒激光设施、强流重离子加速器、冷泉生态系统研究装置等多个大科学装置。“神农设施”在湖北武汉立项启动，建成后将成为我国农业领域的首个大科学装置；在上海张江科学城，硬X射线自由电子激光装置进入设施建设阶段，上海同步辐射光源二期工程也将在今年迎来国家验收，全球规模最大、种类最全、综合能力最强的光子大科学设施群已现雏形。

利用建成运行的大科学装置，一批重大创新成果持续涌现。近日，高海拔宇宙线观测站在国际上首次认证了能量高于1亿亿电子伏特的宇宙线的起源天体；中国超重元素研究加速器创造了国际同类装置运行束流参数的最高纪录，为合成元素周期表第八周期新元素提供了关键条件；凭借超高灵敏度，中国天眼FAST目前监测到的脉冲星数量已超890颗，是自其运行起至今、国外同类型望远镜监测数量总和的3倍以上。

截至2023年底，我国已经布局建设77个国家重大科技基础设施，其中35个已建成运行，部分设施迈入全球第一方阵。

据央视《新闻联播》

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2月27日，在武汉东湖科学城核心区光谷科学岛的红泥地里，国家作物表型组学研究重大科技基础设施（即“神农设施”）项目启动建设。

“这是农业领域众多科学家从‘十二五’到‘十四五’努力推动，终于实现构想的激动人心的时刻，神农设施终于浮出水面，即将由蓝图变为现实。”该项目首席科学家、中国科学院院士杨维才说。

■ 打造育种“加速器”

种子是农业的芯片，是推动农业发展的核心动力。但我国大豆、玉米单产远低于先进水平，土豆、胡萝卜、西蓝花等蔬菜种子，尤其是高端品种严重依赖进口。

究其根源，我国种质资源选育依然存在技术瓶颈。

迄今，农业育种经历了驯化育种、杂交育种、分子标记辅助育种、分子设计育种四个时代。过去20多年，我国已完成超过70%重要作物基因组测序，为实现作物分子设计育种这一前沿技术奠定了基础。

但俗话说，橘生淮南则为橘，橘生淮北则为枳。作物的性状依赖于基因与环境的共同作用，基因、环境、表型之间的复杂关系，仍然是限制分子设计育种和提升育种效率的因素。

“作为（植物）最重要的性状，植物的表型研究过去长期以来没有什么进展，到本世纪初还处于非常原始的水平，单靠眼睛看，最多拿尺子量一量、天平称一称，这就是全部的手段。”中国科学院院士、华中农业大学教授张启发说。

张启发表示，21世纪初产生了表型组学的概念，使得植物的性状可以用组学的概念进行描述。经过十多年的努力，我国已经在武汉建立了整套的作物表型组学技术平台，在水稻、油菜、玉米等作物中已经成功应用，对生命科学研究起到巨大的推动作用。

如何在此基础上全面突破种质资源卡脖子难题，打赢种业翻身仗？

先进的“作战装备”极为关键。“我国虽然在表型组学方面早有设想，但由于设施和装备有限，难以实现多维数据的采集和整合。”杨维才说，建设规模化、高通量、高精准度、开放共享的作物表型研究设施势在必行。

伴随本世纪以来系统生物学、计算生物学等新兴学科的迅猛发展，中国科学院遗传与发育生物学研究所（以下简称遗传发育所）作为农业生物领域的国家战略科技力量，联合农业领域的诸多科学家，以农业可持续发展重大科技问题为目标，提出了建设农业领域高通量基因型-表型鉴定重大基础设施的构想。

神农设施由此应运而生。“中国是农业大国，在神话传说中，五谷是神农氏发现和驯化的。以‘神农’命名大科学装置，寄托了科学家对其在突破作物育种关键核心技术中的期待。”杨维才说。

据介绍，神农设施作为国家重大科技基础设施，可针对不同作物的株形、产量、抗旱、抗寒、抗虫、耐盐分、养分利用、光合作用等重要性状和特征开展鉴定与分析，具备主要粮食作物和经济作物基因型与表型相关大数据的采集与解析能力，可支撑分子设计育种技术进步，将成为作物高效品种选育的“加速器”。

“神农设施可以精准解析基因型-表型的关联，把作物的表型和数以万计的基因一一对应起来，通过数字智能育种实现精准遗传操纵，让育种时间缩短一半。”杨维才表示，传统育种通常7—8年培育一粒种子，而通过神农设施育种则仅需3—4年。

■ 大数据“导航”实现“智能”育种

“神农设施将是全球最大的基因型、表型深度解析研究中心，通过对作物在可控环境条件下的标准种养和实时、精准、可重复的数据采集，应用大数据分析快速建立作物基因型与表型的关联性，从而使得分子育种成为可能，推动生命科学和现代农业的跨越发展。”中国科学院院士李家洋说。

在科学目标上，神农设施将综合利用现代组学技术和基因操作技术，研发环境模拟与智能监控技术、高分辨成像技术、自动化信息采集与分析技术等，解析重要作物（主要农作物、药用植物、经济植物等）基因型与表型的复杂关系，建立植物表型决定的现代遗传理论体系，实现优良作物等新品种的分子设计与高效选育。

项目总工程师陈凡表示，神农设施可以智能地识别品种间的遗传差异、基因位点编辑的准确性，并用智能大数据系统实现高通量解析，将作物表型和基因型深度关联，就像北斗卫星导航系统，可以在大量基因数据中为育种路径提供快速导航，采用“AI+BT+DT”（人工智能+生物技术+大数据技术）实现种子的精准设计和智造。

他举例说，农业的区域性非常明显，海拔、经纬度等不同，作物生长状态也不同。神农设施的6个独立环境模拟子系统能在智能可控环境条件下，利用全自动化物联系统，实现多种类、高通量作物精准种养、全生育期多维度表型采集和解析，从而实现“量体裁衣”，使种子智能适应当地的种养条件，获得高产优质粮食的同时，满足人们对未来健康食品的特定需求。

据介绍，神农设施将以自主研发为主，装备自主化率达到90%以上，并应用我国在作物复杂性状解析、人工智能图像识别、生物大数据育种等方面的集成创新优势，促进高新技术在农业和生命科学领域的深度应用和交叉融合。

“我们将把装备的研发和科学问题的解决结合在一起，实现科学与工程方面的交叉创新，为‘人工智能’育种5.0时代提供重要的科技支撑。”陈凡说。

据中国科学报