氣候變化日益加劇，作物育種能否更快、更精準(zhǔn)？最新的一項文理交叉學(xué)科研究，用三個環(huán)環(huán)相扣的成果給出了肯定的答案。
這項劍指全球糧食安全直面育種迫切需求的研究，綜合運用大數(shù)據(jù)科學(xué)、植物科學(xué)、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟學(xué)等多學(xué)科交叉的研究方法和數(shù)據(jù)，提出一種新的作物生態(tài)適宜區(qū)劃分工具，識別出六個非連續(xù)但環(huán)境類型顯著差異的區(qū)域，提出三項育種策略。這項為育種家們提供行動指南還可以優(yōu)化糧食生產(chǎn)資源配置的成果，近日在Molecular Plant上刊發(fā)。
論文在線刊發(fā)（受訪者 供圖）
為了玉米單產(chǎn)水平提升，他們不謀而合
2022年春天的一個中午，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)竹苑食堂的用餐人群中，有兩個人熱切交流著我國玉米育種與生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)。
這次“午餐會”的發(fā)起者，是經(jīng)濟管理學(xué)院副教授唐川。他主要研究農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境經(jīng)濟等，曾任國際種業(yè)企業(yè)全球環(huán)境數(shù)據(jù)科學(xué)家，主要負(fù)責(zé)作物產(chǎn)量預(yù)測與環(huán)境影響分析。應(yīng)邀赴會的是作物遺傳改良全國重點實驗室教授嚴(yán)建兵，專注于玉米高產(chǎn)高蛋白宜機收的科學(xué)研究與應(yīng)用，彼時正領(lǐng)銜推進交叉科學(xué)研究工作。
武漢經(jīng)開區(qū)鄧南街道撈子湖村，玉米籽粒收獲機收割高蛋白玉米（湖北日報）
唐川認(rèn)為，隨著全球氣候變化愈加顯著，農(nóng)作物生長環(huán)境變得更為復(fù)雜和不確定，在缺乏深刻理解目標(biāo)品種對具體區(qū)域環(huán)境適應(yīng)性的前提下，大規(guī)模投入玉米分子育種資源，可能難以實現(xiàn)預(yù)期的產(chǎn)量提升與穩(wěn)定性改進。他說：“從國家層面進行作物育種體系和糧食生產(chǎn)資源的統(tǒng)籌優(yōu)化，也離不開對玉米品種與生態(tài)環(huán)境相互適應(yīng)關(guān)系的定量評估與區(qū)域劃分。”
嚴(yán)建兵一直思考玉米產(chǎn)量提升問題，希望在既有的研究范式中找到創(chuàng)新破題方案，他當(dāng)即邀請?zhí)拼▍⒓佑衩讏F隊課題組例會。隨后的玉米團隊組會上，唐川提出可以融合農(nóng)業(yè)環(huán)境大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟學(xué)中的計量建模方法，構(gòu)建跨越生物信息與環(huán)境信息的數(shù)據(jù)分析框架，從而實現(xiàn)對玉米育種實驗及區(qū)試試驗數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)的集成分析，識別不同玉米基因型與區(qū)域環(huán)境之間的適宜耦合關(guān)系，進而精準(zhǔn)劃定我國玉米的生態(tài)類型適宜種植區(qū)。
嚴(yán)建兵（右二）和團隊師生在海南南繁基地（蔣朝常 攝）
作物遺傳改良全國重點實驗室教授郭婷婷主要研究玉米基因型與環(huán)境互作等，彼時已啟動了一個玉米育種區(qū)劃觀測點的項目，把30個玉米品種種在18個省份。“不謀而合。不過唐老師用大數(shù)據(jù)，而我就想實打?qū)嵉厝シN玉米。”讓郭婷婷記憶猶新的是，唐川分享完畢，嚴(yán)建兵表示：“我們來一個從宏觀、中觀到微觀的大跨度科研合作吧！”
在嚴(yán)建兵的組織領(lǐng)導(dǎo)下，唐川與郭婷婷作為項目主要執(zhí)行人，正式啟動了研究工作。根據(jù)課題需要，植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授肖英杰、經(jīng)濟管理學(xué)院教授李曉云和熊濤等也應(yīng)邀加入項目團隊。“嚴(yán)老師要求快速推進。”唐川說，大家每兩周碰面討論一次。
尊重專業(yè)差異，彼此求同存異盡力融合
“我的專業(yè)知識可能只允許我提出解決方案，但不足以將這項研究的深層內(nèi)涵和價值充分挖掘出來。”唐川表示，糧食安全和“三農(nóng)”問題本身就具有交叉學(xué)科屬性，交叉學(xué)科融合是破題的必然選擇，同時也能帶來更全面的解決思路和方法。他認(rèn)為，這次主動尋求多學(xué)科交叉融合，有望實現(xiàn)基因—環(huán)境—經(jīng)濟之間的有機聯(lián)合，彌補單一學(xué)科在理論闡釋與實踐應(yīng)用上的短板，推動科學(xué)問題從局部走向整體、從機理走向政策。
作物遺傳改良全國重點實驗室成立30周年，玉米團隊創(chuàng)新成果之神奇玉米種子展示（周紅桃 攝）
研究期間，項目團隊充分依托多學(xué)科協(xié)同合作優(yōu)勢，優(yōu)化了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與方法體系建設(shè)。其中，肖英杰提供了長江流域玉米育種表型試驗數(shù)據(jù)，提升了研究結(jié)果的廣泛代表性與生物學(xué)基礎(chǔ)的科學(xué)性；熊濤圍繞環(huán)境大數(shù)據(jù)的處理與機器學(xué)習(xí)方法的集成應(yīng)用提供了系統(tǒng)優(yōu)化與技術(shù)指導(dǎo)，提升了模型的預(yù)測性能與分析的穩(wěn)健性；李曉云在研究的總體架構(gòu)設(shè)計、結(jié)果的宏觀解讀以及政策內(nèi)涵的提煉等方面提供了重要支持。
按照計劃，唐川前期帶領(lǐng)研究生進行數(shù)據(jù)收集、整理、分析，在每兩周一次的組會上匯報并討論。正當(dāng)他們完成了初步分析，以為很快可以結(jié)題時，郭婷婷發(fā)現(xiàn)當(dāng)時的數(shù)據(jù)只覆蓋了長江流域，不能作為全國范圍分析的依據(jù)。后來，唐川帶領(lǐng)研究生王春萌費盡周折拿到了全國玉米區(qū)域試驗（區(qū)試）數(shù)據(jù)，生成了系統(tǒng)性的電子化數(shù)據(jù)表格，其中覆蓋了多個年度、全國范圍多地區(qū)和多品種的玉米區(qū)試表現(xiàn)，為后續(xù)的大數(shù)據(jù)分析和模型構(gòu)建提供了堅實基礎(chǔ)。
為了更好地理解和推進研究，唐川花了很多時間去學(xué)習(xí)和了解交叉領(lǐng)域，郭婷婷也總是慷慨分享文獻(xiàn)給他。開始著手論文初稿時，唐川還是感受到了前所未有的挑戰(zhàn)，“每寫一句話，我都要看兩到三篇植物科學(xué)的文章來印證是否論述正確。”他說，一度非常擔(dān)心犯下低級錯誤而影響多方合作。此間，嚴(yán)建兵親自對文章初稿進行了兩輪審稿并提了很多具體意見，但唐川還是覺得自己對于很多涉及植物科學(xué)領(lǐng)域和育種的觀點“如鯁在喉，怎么都提不出來。”因此，唐川主動提出，希望由郭婷婷來操刀修改論文，他說：“我非常希望站在自然科學(xué)家的角度看這個問題。”
郭婷婷在學(xué)術(shù)合作會議中（杜乂旻 攝）
對于以唐川為主要執(zhí)行人構(gòu)建的多維環(huán)境區(qū)劃分（Multi-Dimensional Environment zoning, 簡稱 MDE）并在全國范圍識別出六個非連續(xù)但環(huán)境類型顯著差異的MDE區(qū)域等成果及相關(guān)工作，郭婷婷表示“充分相信”，“我把關(guān)的就是，他做出來的圖別人能不能看懂。至于分區(qū)之后的育種策略、成果價值和意義等內(nèi)容，唐老師就完全尊重我的建議。”她說，盡管這是第一次跟人文社科學(xué)者合作，受益于一直堅持廣泛閱讀，所以理解和溝通上并沒有太大的障礙，“我們都是盡力去融合”。
教育教學(xué)過程中將更加注重學(xué)科交叉融合
“讓育種更快、更精準(zhǔn)，這篇論文能夠提供很大的幫助。”歷時三年多的研究成果終于發(fā)表，郭婷婷最大的感受是“踏實”，她說：“這應(yīng)該是我近幾年來寫得最好的一篇文章了。”而唐川也對這次合作及所取得的成果，表示“很滿意”。
這個研究打破自1980年以來一直沿用至今的中國玉米種植適宜區(qū)框架，構(gòu)建了一套基于多維環(huán)境大數(shù)據(jù)的作物適宜區(qū)劃分方法，旨在提升區(qū)劃結(jié)果對真實農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的反映能力。該方法綜合利用了涵蓋玉米整個生育期、分布于多個關(guān)鍵生育階段的環(huán)境變量數(shù)據(jù)，總計多達(dá)165項環(huán)境指標(biāo)。所使用的環(huán)境因子包括氣溫、降水量、光照、氣象極值、土壤類型等變量，均與作物的生長發(fā)育過程和最終產(chǎn)量具有顯著相關(guān)性。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)襄陽黃集千畝玉米實驗基地（張建 供圖）
“通過對高時空分辨率、多尺度環(huán)境因子的系統(tǒng)整合與分析，從而實現(xiàn)對生態(tài)種植區(qū)的更精準(zhǔn)劃分。”唐川表示，與傳統(tǒng)依賴經(jīng)驗和行政邊界的靜態(tài)區(qū)劃方法相比，該方法從生態(tài)環(huán)境本身出發(fā)，具有更強的科學(xué)性、代表性與動態(tài)適應(yīng)能力。基于這個方法，該研究在全國范圍識別出六個非連續(xù)但環(huán)境類型顯著差異的MDE區(qū)域，并提出三項基于MDE分區(qū)的育種策略，以充分利用MDE分區(qū)工具提升作物產(chǎn)量潛力，包括建立代表性測試網(wǎng)絡(luò)、精細(xì)化區(qū)域育種目標(biāo)定制、玉米品種遷移路徑設(shè)計等。
（文章中截圖）
“未來也許可以做成一個基于環(huán)境特征的分區(qū)電子地圖，真正服務(wù)于智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展。”唐川表示，目前已經(jīng)有育種企業(yè)對于研究成果感興趣，后續(xù)還可以把分區(qū)方法運用到更多作物，他說：“基于全球氣候變化的大背景，我們肯定會繼續(xù)在相關(guān)領(lǐng)域深挖。”
唐川（左一）在云南調(diào)研設(shè)施農(nóng)業(yè)（受訪者 供圖）
“沒有郭老師和其他自然科學(xué)領(lǐng)域老師們的幫助，這項研究很可能就沒辦法順利完成。”對于本次跨學(xué)科合作，唐川認(rèn)為除了科研上的收獲和啟發(fā)之外，也堅定了自己在今后的教育教學(xué)過程中更加注重學(xué)科交叉融合。“人工智能時代，我們絕對不能簡單地把自己定義為文科生或理科生。”他說，以解決農(nóng)業(yè)問題為例，從具體的種植、育種，到農(nóng)業(yè)管理和產(chǎn)品銷售，都應(yīng)該是一個交叉學(xué)科綜合知識運用的過程。
來源：MPlant植物科學(xué)等
