Une graine de tomate haut de gamme coûte cinq fois plus cher que l'or, et pourtant un quart de son coût est englouti par le travail manuel pénible de pollinisation croisée, où les ouvriers doivent se pencher et s'arc-bouter. L'équipe de Xu Cao de l'Institut de génétique et de biologie du développement de l'Académie chinoise des sciences a emprunté une voie différente : ils ont utilisé l'édition génétique pour « faire une permanente » aux fleurs, faisant ainsi s'enrouler et s'ouvrir les étamines, exposant naturellement les stigmates, puis ont envoyé le robot intelligent de pollinisation « GEAIR » en mission de « demande en mariage ». Ce modèle BAR « BT + IA + robot » a réduit le cycle de sélection des espèces sauvages de 5 ans à 1 an, et a rendu possible l'exploitation de l'hétérosis du soja, passant ainsi de « impossible » à « possible ».

I. Des coûts de centaines de milliards « bloqués » dans une petite fleur

La sélection hybride est un moyen essentiel pour que les cultures exploitent l'hétérosis et augmentent considérablement les rendements. En 2024, le marché mondial des semences hybrides a atteint 383 milliards de yuans et devrait approcher les 600 milliards de yuans d'ici 2029.

Cependant, cette technologie est depuis longtemps entravée par une structure microscopique — le stigmate de la fleur. Prenons la tomate comme exemple : au cours de la domestication, pour garantir la pureté des variétés, l'humain a sélectionné des mutants à stigmates rétractés et à autofécondation. Bien que cela assure la pureté, cela rend la sélection hybride difficile : les ouvriers doivent, avant que les étamines ne libèrent leur pollen, ouvrir manuellement les pétales, retirer les étamines, puis appliquer du pollen étranger. L'ensemble du processus nécessite de se pencher et une manipulation précise ; la moindre erreur peut endommager le stigmate.

Quel est le coût de cette main-d'œuvre ? Des études montrent que la seule opération d'émasculation manuelle représente 40 % du coût de la pollinisation croisée de la tomate, et le coût de la main-d'œuvre pour l'ensemble du processus de pollinisation dépasse 25 % du coût total de la sélection. Le coût annuel mondial de cette main-d'œuvre s'élève à plus de 2 milliards de yuans, et l'ensemble du domaine de la sélection hybride dépense près de centaines de milliards de yuans.

Le soja est encore plus problématique. La fleur de soja est très fermée, les étamines s'emboîtant parfaitement comme une coquille, nécessitant une manipulation manuelle minutieuse avec des pinces. Bien que les hybrides de soja aient un potentiel d'augmentation du rendement de plus de 30 %, ils n'ont pas pu être généralisés en raison du coût trop élevé de la production de semences.

II. Points forts de l'innovation scientifique : une conception collaborative, une « course à double sens »

Point fort n° 1 : « Faire une permanente » aux fleurs — l'édition génétique crée une morphologie florale « robot-friendly »

En 2017, lorsque Xu Cao est revenu en Chine pour établir son laboratoire, il a parcouru la banlieue de Pékin et a entendu les agriculteurs se plaindre que « les ouvriers sont difficiles à embaucher et les coûts sont trop élevés ». Il a réalisé qu'il était extrêmement difficile de simplement faire imiter aux robots le travail manuel d'émasculation et de pollinisation — les fleurs sont petites, leur structure est complexe, et les bras robotisés ont du mal à les manipuler.

« Puisque le robot ne peut pas entrer, faisons en sorte que la fleur « ouvre la porte » elle-même. » Xu Cao a décidé d'aborder le problème à l'envers : utiliser l'édition génétique pour reconcevoir la morphologie florale, permettant ainsi à la fleur d'« accueillir » activement le robot.

L'équipe de recherche a ciblé le gène GLO2, un gène MADS-box de classe B du « modèle ABC » du développement des organes floraux des plantes, qui régule spécifiquement le développement des étamines. Au lieu de supprimer ce gène, ils ont édité avec précision sa région non codante, faisant ainsi que les étamines, normalement fermées, s'enroulent et s'ouvrent comme « des cheveux bouclés après une permanente », entraînant l'avortement du pollen et exposant naturellement le stigmate sans qu'il ait besoin de s'allonger.

La subtilité de cette conception réside dans le fait qu'elle ne modifie que la forme, sans affecter la fonction. Les lignées mâles stériles de type structurel créées voient leur taux de nouaison et la qualité de leurs graines totalement inchangés, et ce caractère peut être reproduit de manière stable dans 512 variétés de tomates, s'affranchissant ainsi des limitations du fond génétique. L'équipe de recherche a appliqué la même stratégie au soja, créant avec succès des lignées mâles stériles à stigmates exposés.

Point fort n° 2 : Le sélectionneur robot « GEAIR » — alimenté par l'IA, en patrouille 24h/24

Avec des fleurs « robot-friendly », il faut un véritable robot pour la pollinisation. L'équipe de Xu Cao a collaboré avec l'équipe de Yang Minghao, chercheur associé à l'Institut d'automatisation de l'Académie chinoise des sciences, utilisant 12 800 images pour entraîner un modèle d'IA, permettant ainsi au robot d'identifier des stigmates de seulement quelques millimètres dans des environnements complexes.

Le robot intelligent de pollinisation finalement créé a été nommé « GEAIR » (Genome Editing combined with AI-based Robotics). Ses principales performances sont les suivantes :

Dans les serres modernes de Shounong Cuihu Agriculture, « GEAIR » avance lentement sur ses chenilles entre les rangées de tomates, sa caméra frontale balayant comme un œil de faucon, son bras robotisé s'approchant avec précision des petites fleurs jaunes, et en un clin d'œil, appliquant délicatement le pollen sur le stigmate.

Point fort n° 3 : Le modèle BAR — BT comme fondation, IA comme moteur, robot comme main-d'œuvre

L'équipe de recherche a ensuite combiné « GEAIR » avec la technologie de sélection par « domestication de novo » créée en 2018 et la technologie de « sélection accélérée », établissant une usine de sélection intelligente et proposant le modèle de sélection intelligente « BT comme fondation + IA comme moteur + robot comme main-d'œuvre » (BAR).

Dans ce modèle, le cycle d'utilisation des espèces sauvages apparentées pour la sélection est réduit de 5 ans à 1 an, permettant une économie significative de main-d'œuvre et libérant l'énorme potentiel des ressources génétiques sauvages pour améliorer la résistance au stress et les caractéristiques gustatives.

III. Perspectives d'application : de la tomate au soja, du sol à l'espace

1. Les hybrides de soja passent de « impossible » à « possible »

Les fleurs de soja sont petites comme des grains de riz, leur floraison est très courte et elles sont complètement fermées, rendant l'hybridation manuelle extrêmement difficile. L'équipe de recherche a appliqué le système « GEAIR » au soja, réalisant pour la première fois la création rapide de lignées mâles stériles de type structurel chez le soja. L'utilisation de ces lignées stériles permet d'économiser 76,2 % du temps d'opération de pollinisation manuelle. Cela signifie que l'hétérosis du soja, longtemps « endormi », pourrait être réveillé, fournissant un équipement technologique clé permettant à la Chine de percer en premier dans la sélection hybride du soja et d'augmenter considérablement les rendements unitaires.

2. L'usine de sélection intelligente crée en masse de nouveaux génotypes

En combinant les technologies de « domestication de novo » et de « sélection accélérée », l'usine de sélection intelligente peut cultiver rapidement et en masse de nouveaux génotypes de tomates savoureuses aux arômes riches et de tomates de haute qualité résistantes au stress et à haut rendement. Cela libère non seulement le potentiel de sélection des espèces sauvages apparentées des cultures, mais offre également la possibilité d'une itération rapide des variétés face au changement climatique.

3. Extension des fonctions de la pollinisation à la récolte

L'équipe de recherche a révélé qu'en remplaçant la brosse à pollen sur le bras robotisé de « GEAIR » par une pince, il serait possible de réaliser la récolte automatique. À l'avenir, avec les progrès technologiques, ce système pourrait jouer un rôle dans l'agriculture spatiale — fournissant une sécurité alimentaire pour l'exploration humaine de l'espace lointain.

IV. Signification industrielle : du « système à trois/two lignées » à l'« accompagnement par robot »

Les examinateurs internationaux de « Cell » ont évalué cette recherche comme suit : « Il s'agit d'une percée passionnante. La combinaison de l'édition génétique, de l'intelligence artificielle et de la robotique va conduire à un bond en avant considérable dans la sélection végétale. »

Xu Cao résume sa signification ainsi : faire passer la sélection hybride de l'ère du « système à trois/two lignées » à celle de l'« accompagnement par robot ». Ce modèle BAR fournit une « solution chinoise » pour résoudre le problème commun mondial du coût élevé et de la faible efficacité de la sélection hybride, et montre également de vastes perspectives pour la mise en œuvre de « l'IA pour la Science » dans le domaine agricole.

Zhou Yunlong, directeur du Département des sciences et technologies du ministère de l'Agriculture et des Affaires rurales, a souligné lors d'une visite d'étude que les technologies de sélection communes et les équipements intelligents communs sont la « double force motrice » de l'agriculture intelligente et de la modernisation agricole. L'équipe doit continuer à maintenir son avantage de leadership et l'étendre à davantage de cultures vivrières et économiques importantes.

Source : Institut de génétique et de biologie du développement de l'Académie chinoise des sciences, Institut d'automatisation de l'Académie chinoise des sciences ; Auteurs : Xu Cao (auteur correspondant), Xie Yue, Zhang Tinghao, Yang Minghao (premiers auteurs) ; Titre : « Engineering crop flower morphology facilitates robotization of cross-pollination and speed breeding » ; Publié dans : Cell.