作为农业的“芯片”，种子是保障粮食安全和农产品有效供给的重要基础。今年的中央一号文件中就明确提出，要将抓好粮食生产和重要农产品供给摆在首要位置。但由于育种规模不断扩大，传统的育种方式逐渐无法满足市场的需求，而育种加速器作为未来大数据时代的育种新兴载体和科技手段也就此应运而生。

与传统育种相比，育种加速器具有检测速度更快、成本更低、通量更大等特点，能够更高效地对更多植株进行基因检测和反馈。现代农业育种的一个主要方向就是性状改良，以获得更大的果实/种子，更高的含油量（油料作物），更发达的根系等，育种加速器可以快速获取大量植物表型信息，通过基因编辑完成种子的优胜劣汰。

育种加速器的定义

育种加速器主要由基因编辑、植物工厂系统集成和高通量植物表型平台三大功能构成。通过高通量植物表型平台对植物生长的观测和性状分析，以基因组技术对植株进行基因编辑，形成分子层面的选择、回交育种、杂交种纯度检验等，打造出特定的基因芯片，并以植物工厂的系统集成为载体，达到育种加速、更新迭代的目的，实现作物的周年生产。

在育种加速器中，科研人员将大规模基因组测序和植物表型信息相结合，构建服务于育种的基因组技术工具——基因芯片。通过整合表型大数据与基因组大数据，科研人员能够发现基因组分子标记和田间表现的关联，再运用自动化的种子切片技术，在实验室即可在大量材料中筛选出最优品种从而形成迭代，大大减少田间的工作和花费。

*植物工厂技术应用于育种栽培的作物有叶菜、茄果、瓜果、药用植物、花卉、果树、玉米及经济作物（如水稻、小麦、大豆、油菜、棉花等）

通过对作物DNA的测序和分析，改造、定制标准化的基因芯片，形成基因大数据库，针对不同市场、不同人群培育出满足（如节水抗旱、抗虫害、抗除草剂、耐碱、高肥效、高产等）不同特性的种子，最终形成企业化、市场化的大规模制种。

基因编辑

主效QTL定位

采用极端单株池进行基因定位，根据要定位的目标性状，分别提取等量组织（叶片）抽取DNA，用于芯片检测。

基因精细定位和克隆

根据基因初定位结果，筛选重组单株，对基因进行精细定位。

功能基因鉴定

挑选代表性的单株进行基因芯片分析，通过基因区段及基因功能标记，进行功能鉴定。

纯合度、指纹检测/遗传连锁图谱构建

抽取种子或叶片，混合抽提DNA作芯片检测，对单个样品进行基因型分析，并对群体进行遗传连锁图谱构建。

优势预测/种质资源分类

抽取种子或叶片，混合抽提DNA作芯片检测，对种质进行基因型鉴定和聚类分析。

定向改良新品种培育/定制

利用基因编辑进行品种定向改良和新品种培育，利用单基因品系培育动态多系品种和特优品种。

基因编辑优势

1.基因定位精准

遗传背景标记和功能基因标记等多态性标记让基因精细定位更精准。

2.检测基因数目多检测位点数量大

数以万计的有效基因标记库源数据分析，保证基因测序质量高、吻合度高，优化种质分类。

3.定制化改良和培育

专属定制化服务，利用基因编辑进行品种定向改良和新品种培育。

4.育种时间大幅缩短

通过基因编辑筛选培育的植株，可将育种时间从8～10年缩短至2～3年。

高通量植物表型平台

*大田稻穗准确分割和产量估测

高通量植物表型平台是植物表型组学、植物功能基因组学、现代遗传育种研究的强大工具。利用高通量植物表型平台可以快速获取大量植株的各种信息，通过结合基因编辑对作物的性状改良，以获得更大的果实/种子，更快速的育种效果，更高的含油量（油料作物），更发达的根系等。

系统整体包括栽培单元、输送单元、成像单元、图形工作站，可在线获取植物RGB可见光图像（VISI）、高光谱图像（HYPSI）、远红外图像（FIRI）、近红外图像（NIRI）、荧光图像（FLUI）、3D激光图像（3D-LSI）、CT断层图像（CT-I）、多光谱图像（MSI）等。

成像暗室单元

整体设计为植物图像采集提供了良好的成像环境。

自动传送单元

与环境设备有较好匹配性，适应栽培环境、栽培要求、试验要求，实现自动化与管理信息化。

控制/采集单元

自动均载技术，支持自有或第三方平台实时获取植物扫描图像、监控等数据。

成像传感器单元

支持RGB可见光成像、远红外成像、高光谱成像、CT成像、多光谱成像。

高通量植物表型平台优势

*植株原始生长状态/数据分割/骨架提取

*提供了多样化环境下多种植物所需性状的精确测量

*有助于揭示与植物生长发育和目标性状相关的遗传基础

*植物表型组学、植物功能基因组学、现代遗传育种研究的强大科研工具

*是选择在产量、抗病性和抗逆性方面表现更好的品系，加速育种的关键一步

植物工厂系统集成技术

植物工厂功能模块主要由通风系统、人工光系统、环境控制系统、营养液循环系统、智能管控系统、照明和杀菌系统以及种植技术于一体，系统整体综合性强，能够克服自然环境条件限制，充分保证了育种周期内的各项要求。

通过六大系统集成技术，利用人工控制光照，环境控制湿度、温度、气体、施肥和其他环境因素来为植物设置最佳生长培养基，多重系统技术保障为幼苗提供了从种子到出苗全程的工业化产线及科学研究的必要环境。

植物工厂优势

*各种光条件可变，适配于长日照、短日照植物的生育进程，缩短成熟周期

*根据植物特点提供不同的光配方

*温度可控范围在0-50度，不同生育时期，可调可变

*多层培育空间，利用率高、便利性好

*培养模组多样可选，满足不同实验的需求

*多项节能措施，节约能耗

*物联网控制，远程操作

以育苗为例：

育种加速器运作流程

种苗筛选基因检测

在种苗培育出来以后，对DNA进行抽提，通过基因精细定位、基因功能鉴定、品种纯合度检测、种质资源分类等多种技术手段于一体，确定相关作物的全基因组合，为后期定制化生产做好数据铺垫及物种选型。

品种定向改良新品种培育

精准基因组育种通过促进选育目标性状的改变、优化性能测定方案、提高遗传评估的准确性等方面，加快了育种进程和提高了育种效率，利用基因组育种进行品种定向改良，能将育种年限由原来的8-10年缩短到2-3年。

培育品种定制化

在全基因组的基础上，对种子性状进行基因重塑，实现品种特色化、系列化；收集特异基因资源，创建单基因品系；利用单基因品系培育动态多系品种和特优品种系列。通过基因控制和改良，改变了作物特性及成熟生育期，达到品种定制化效果。

由室内实验向大规模制种过度

育种加速器的实验环境满足了在特定温湿度、特定营养条件、特定光照强度、特定光质、特定光照时间、特定气体浓度等条件下的育种要求，最终将为企业、市场定制化培育的实验产物过渡至大规模制种。

未来，随着植物工厂装备与技术的逐渐完善与提高，植物工厂的建设与运营成本逐步降低，植物工厂快速育种技术与其他育种技术手段有效配合，将进一步优化快速育种技术和缩短育种周期。育种加速器也将为提升育种科学交叉创新研究能力、推动我国育种产业发展、提供“双碳”战略种源解决方案提供助力。