貴州作物種質(zhì)資源信息管理平臺構(gòu)建與應(yīng)用

李 歡， 譚金玉， 陳惠查， 霍可以， 黎小冰， 桑海偉， 阮仁超

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所， 貴陽 550006；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所， 貴陽 550006； 3.貴州師范學(xué)院， 貴陽 550018)

農(nóng)作物種質(zhì)資源是作物遺傳改良和種質(zhì)創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)，是提高我國農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、維系國家糧食安全的重要保證，也是人類社會生存發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源[1]。

國內(nèi)外都十分重視種質(zhì)資源的保存和智能化信息平臺的構(gòu)建。美國、歐洲、日本等國家已經(jīng)建立了自己的作物種質(zhì)資源管理平臺外[2]，我國除了國家級層面上已建成的國家作物種質(zhì)資源平臺[3]，在上海、江蘇、湖南等省也相繼建成多個作物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)平臺[4-9]。這些平臺的建立對種質(zhì)資源信息化管理和交流共享都起到了積極的作用。

貴州典型的喀斯特山區(qū)環(huán)境孕育了豐富的作物種質(zhì)資源，是全國特色農(nóng)作物種質(zhì)資源較為富集的地區(qū)。包括許多全國稀有、特有的作物種質(zhì)資源，如無腥大豆、高賴玉米、糯玉米、糯高粱、薏苡、貴州禾類和旱稻資源等。自2012年以來，貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院參加國家科技基礎(chǔ)性工作專項“貴州農(nóng)業(yè)生物資源調(diào)查”項目，就搜集保存了4 000多份貴州地方特色作物種質(zhì)資源[10-12]。據(jù)不完全統(tǒng)計，貴州省目前通過各類途徑集中保存于省農(nóng)科院內(nèi)的作物種質(zhì)資源有數(shù)萬份，面對如此紛繁復(fù)雜的種質(zhì)資源，構(gòu)建一個貴州作物種質(zhì)資源信息管理平臺就顯得尤為重要。

貴州省傳統(tǒng)的作物種質(zhì)資源信息數(shù)據(jù)庫存在著規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、線上管理薄弱、信息檢索困難、信息資源共享時效性差等弊端，且數(shù)據(jù)庫平臺建設(shè)分散雜亂、平臺知曉度不高、使用頻率較低，有的甚至形同虛設(shè)。久而久之，導(dǎo)致貴州作物種質(zhì)資源信息數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重、資源利用效率、效益低下。在大數(shù)據(jù)時代的今天，這不僅降低了種質(zhì)資源育種工作者、科研人員和生產(chǎn)部門的工作效率，還嚴(yán)重制約著貴州省作物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)管理的高效便捷性以及資源實物的共享利用。

針對貴州省作物種質(zhì)資源信息管理現(xiàn)狀，設(shè)計構(gòu)建貴州作物種質(zhì)資源信息管理共享平臺，將分散在全省各單位、部門和個人的各類作物種質(zhì)資源的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、鑒定評價數(shù)據(jù)庫、圖片庫等相關(guān)信息進(jìn)行收集整理，以“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一編目、聯(lián)合上網(wǎng)、資源共享”為原則，實現(xiàn)種質(zhì)資源信息自動建庫、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一檢索功能，提高貴州省作物種質(zhì)資源的利用效率和效益，促進(jìn)種質(zhì)資源保護(hù)與利用。

1 貴州作物種質(zhì)資源信息管理平臺總體設(shè)計

1.1 總體目標(biāo)

貴州作物種質(zhì)資源信息管理平臺采用統(tǒng)一的業(yè)務(wù)流程、術(shù)語標(biāo)識和數(shù)據(jù)共享等標(biāo)準(zhǔn)化體系，遵循通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)交換、信息安全等相關(guān)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，保證平臺運轉(zhuǎn)具有較長的生命周期，實現(xiàn)對貴州作物種質(zhì)資源的有效管理和共享利用。開發(fā)一套基于Web、移動無線通訊等技術(shù)的作物種質(zhì)資源管理平臺，實現(xiàn)資源信息上傳匯總、數(shù)據(jù)分析匯總等管理功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時上傳、記錄和保存等功能。管理者可以通過該系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)化的管理，足不出戶即可通過平臺各類電子表格掌握作物種質(zhì)資源的現(xiàn)狀。系統(tǒng)構(gòu)建具備精準(zhǔn)管理、操作方便快捷、不限用戶數(shù)、可跨區(qū)域使用等特點。

1.2 總體設(shè)計

貴州作物種質(zhì)資源信息管理平臺的開發(fā)基于B/S結(jié)構(gòu)(Browser/ Server，瀏覽器/服務(wù)器)模式，B/S架構(gòu)具有平臺無關(guān)性的特點，易于部署和擴(kuò)展。平臺使用開源的JavaEE平臺，采用目前主流成熟的Spring MVC以及Mybaties框架來實現(xiàn)，保證了系統(tǒng)的健壯性、可擴(kuò)展、可延伸性和可維護(hù)性。外部用戶使用Windows、平板、智能手機(jī)等操作系統(tǒng)通過瀏覽器即可對平臺進(jìn)行公網(wǎng)訪問。用戶工作界面簡潔、直觀、友好，人機(jī)交互性強(qiáng)。基于菜單的操作方式，用戶只需按照要求選擇相應(yīng)菜單或按鈕，系統(tǒng)在后臺響應(yīng)用戶操作過程，讓用戶在最短時間內(nèi)，不需要經(jīng)過專門培訓(xùn)，就可以瀏覽查詢所需要的種質(zhì)資源信息。

貴州作物種質(zhì)資源信息管理平臺系統(tǒng)采用多層邏輯架構(gòu)(圖1)，該系統(tǒng)主要包括表現(xiàn)層、開發(fā)核心、中間件層以及數(shù)據(jù)服務(wù)層等模塊： 1) 表現(xiàn)層是后臺種質(zhì)資源信息對用戶的直接展示，使用戶更直觀地感知信息。通過視覺設(shè)計，決定信息在視覺上的呈現(xiàn)方式，主要包括了Web App、JS/CSS框架等。 2) 開發(fā)核心層作為系統(tǒng)的大腦，實現(xiàn)了系統(tǒng)的主要控制模塊。本系統(tǒng)是在集成開發(fā)工具Eclipse下完成的，包含了Web 控制層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)庫持久層，通過公用jar包、單元測試框架、元數(shù)據(jù)框架來實現(xiàn)三個層級的邏輯。 3) 中間件層就像系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將底層與表現(xiàn)層連接起來，提供統(tǒng)一的通信支持，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，包含有負(fù)載均衡、Web容器、消息中間件、以及ESB。 4) 數(shù)據(jù)服務(wù)層直接對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問和操作管理，通過MySQL搭建能夠提供分布式數(shù)據(jù)動態(tài)訪問的服務(wù)。

1.3 開發(fā)環(huán)境

貴州作物種質(zhì)資源信息管理平臺使用MySQL作為數(shù)據(jù)庫，支持多系統(tǒng)操作、多語言開發(fā)，可存儲大量的數(shù)據(jù)，方便用戶快速檢索和訪問。平臺采用java開發(fā)，Springboot+vue、idea作為開發(fā)工具，在Apache、Nginx或Tomcat Web服務(wù)器下運行。

1.4 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

本平臺以國家自然科技資源共享平臺建設(shè)項目中編制的系列《農(nóng)作物種質(zhì)資源技術(shù)規(guī)范叢書》作為各類作物種質(zhì)資源信息的描述規(guī)范，對貴州作物種質(zhì)資源分門別類制定標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)描述表格。以當(dāng)前貴州作物種質(zhì)資源保存保護(hù)體系為依據(jù)，結(jié)合國家農(nóng)作物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)中心管理規(guī)范，遵循對應(yīng)性、唯一性的原則設(shè)計了全國統(tǒng)一編號、地方(貴州)統(tǒng)一編號、庫編號、引種號、采集號、種質(zhì)名稱、種質(zhì)外文名、科名、屬名、學(xué)名、國家、省、原產(chǎn)地、海拔、來源地、經(jīng)度、緯度等155個屬性字段來制定平臺數(shù)據(jù)信息規(guī)范。平臺字段的設(shè)置具有可拓展性，管理員可根據(jù)不同作物的種質(zhì)類型(野生或野生近緣種、地方品種、引進(jìn)品種/系、選育品種/系、遺傳突變體或中間材料等)對表格字段進(jìn)行有目的的添加、刪改、更新等操作，并上傳為模板供用戶下載使用。

2 貴州作物種質(zhì)資源信息管理平臺數(shù)據(jù)來源及應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)來源

貴州作物種質(zhì)資源信息管理平臺數(shù)據(jù)來源主要依據(jù)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院10余個直屬研究所分建的種質(zhì)資源庫、育種工作者或科研人員錄入的種質(zhì)資源信息以及通過承擔(dān)各類生物資源調(diào)查項目中收集到的貴州地方特色種質(zhì)資源信息。貴州省農(nóng)科院現(xiàn)今集中保存有數(shù)萬份作物種質(zhì)資源，主要包括水稻、玉米、麥類、高粱、豆類等糧食作物，油菜、大豆等油料作物，瓜類、茄果類等蔬菜類作物。

2.2 平臺應(yīng)用

2.2.1種質(zhì)資源信息錄入與審核

貴州作物種質(zhì)資源信息管理平臺保存的種質(zhì)資源類別主要包括：糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜類和果樹類等類型。糧食作物又包括禾谷類、豆類和根莖類等；經(jīng)濟(jì)作物包括纖維類和油料類等。系統(tǒng)管理員可根據(jù)需要對種質(zhì)資源類別進(jìn)行修改、刪除、新建等操作(圖2 a)。具體操作步驟：登錄系統(tǒng)→作物類別→新建→進(jìn)入新建作物類別管理頁面。

平臺根據(jù)《農(nóng)作物種質(zhì)資源技術(shù)規(guī)范叢書》對種質(zhì)資源的描述規(guī)范和評價標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)表格，每個種質(zhì)資源信息包含了全國統(tǒng)一編號、庫編號、引種號、采集號、種質(zhì)名稱、科名、屬名、學(xué)名、原產(chǎn)地、海拔、經(jīng)度、緯度等155個屬性字段。信息錄入人員根據(jù)表格填寫相關(guān)種質(zhì)資源信息，單個或者批量導(dǎo)入平臺，同時可允許上傳5張種質(zhì)資源描述圖片及其地理位置信息(GIS)。具體操作步驟：登錄系統(tǒng)→種質(zhì)作物數(shù)據(jù)錄入→選擇類別(例：糧食作物→水稻)→進(jìn)入 Excel 導(dǎo)入或手動錄入頁面→選擇錄入的數(shù)據(jù)→點擊上傳圖片/ GIS 定位。種質(zhì)資源數(shù)據(jù)錄入界面可進(jìn)行數(shù)據(jù)新增、詳細(xì)信息瀏覽、編輯、刪除、圖片管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出、GIS定位、審核狀態(tài)、自定義字段查詢等操作(圖2 b、c、d)。

平臺后臺管理具備系統(tǒng)維護(hù)、新建用戶和對數(shù)據(jù)的操作權(quán)限。具體表現(xiàn)為查詢、修改種質(zhì)資源信息，新建市區(qū)、縣用戶，發(fā)布信息，統(tǒng)計分析報表等。具體操作步驟：登錄系統(tǒng)→系統(tǒng)設(shè)置→用戶管理→進(jìn)入新建用戶頁面→確定歸屬區(qū)域。后臺管理系統(tǒng)在貴州省86個縣/區(qū)中每個縣/區(qū)設(shè)置信息錄入管理員(圖2 e)，可上傳、檢索、修改、管理本區(qū)域種質(zhì)資源數(shù)據(jù)，但不具備修改其他區(qū)域的作物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)的權(quán)限。錄入人員上傳本區(qū)域種質(zhì)資源信息后，需提交以待審核，后臺系統(tǒng)管理員根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程進(jìn)行審核操作(圖2 f)。具體操作步驟：登錄系統(tǒng)→種質(zhì)作物數(shù)據(jù)審核→選擇待審核。

2.2.2種質(zhì)資源信息查詢

該平臺提供用戶自定義查詢和自定義展示字段并導(dǎo)出種質(zhì)資源信息功能。用戶進(jìn)入需要查詢的作物類別頁面后，可使用默認(rèn)的檢索條件查詢，也可自定義查詢字段靈活展示自己需要查看的性狀描述字段組合，還可根據(jù)GIS定位選擇查看具體縣/區(qū)的種質(zhì)資源信息(圖3)。具體操作步驟：登錄系統(tǒng)→作物種質(zhì)數(shù)據(jù)查詢→選擇作物類別→選擇自定義查詢/自定義展示→勾選查詢字段/自定義展示字段。

2.2.3種質(zhì)資源共享

本平臺的建設(shè)初衷為作物種質(zhì)資源的信息查詢與共享利用提供一個高效便捷的平臺，實現(xiàn)特定作物種質(zhì)資源的信息共享與實物共享。用戶登錄本平臺后，可根據(jù)相關(guān)制度規(guī)定，直接聯(lián)系系統(tǒng)管理員，完成作物種質(zhì)資源實物的共享利用流程。

3 討 論

我國歷來高度重視作物種質(zhì)資源的保護(hù)與利用。國務(wù)院辦公廳2019年發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護(hù)與利用的意見》指出，要加強(qiáng)種質(zhì)資源保護(hù)與利用工作。貴州作物種質(zhì)資源豐富多樣，然而資源保存分散、資源數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化管理薄弱。貴州作物種質(zhì)資源信息管理平臺的構(gòu)建對作物種質(zhì)資源的保護(hù)、利用與管理維護(hù)具有重要意義，其本身是一項系統(tǒng)的工程，涉及學(xué)科范圍廣、專業(yè)性強(qiáng)。貴州省在20世紀(jì)90年代就開始此項工作，隨著信息技術(shù)發(fā)展和相關(guān)軟件的開發(fā)利用，及時更新完善種質(zhì)資源數(shù)據(jù)系統(tǒng)，以進(jìn)一步加強(qiáng)種質(zhì)資源保護(hù)與利用。

本平臺將資源數(shù)據(jù)進(jìn)行有效、精準(zhǔn)的電子化管理，提高貴州省作物種質(zhì)資源的信息化、數(shù)字化管理水平；資源信息開放共享，有效避免了育種工作者和科研人員重復(fù)研究，實現(xiàn)種質(zhì)資源的高效利用。同時，貴州省種質(zhì)資源平臺的建立與國家作物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)中心形成兩級聯(lián)動、互為補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制，充實了種質(zhì)資源信息網(wǎng)絡(luò)。本平臺較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫增加了上傳種質(zhì)資源圖片元件功能，用戶在上傳數(shù)據(jù)信息的同時可將種質(zhì)資源的采樣生境、植株和種子形態(tài)特征等圖片一并上傳，使得種質(zhì)資源信息更加完善，保障了資源信息與資源樣品實物的對應(yīng)與銜接。

本平臺建成后，后期運行、維護(hù)和更新等工作需投入大量的人力、物力和財力。目前貴州省正在開展的第三次全國農(nóng)作物種質(zhì)資源普查與收集工作是充實平臺數(shù)據(jù)的重要途徑，未來貴州省農(nóng)作物種質(zhì)資源庫的建成也將為平臺提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)來源支撐。作物種質(zhì)資源作為國家的戰(zhàn)略資源，數(shù)據(jù)信息的安全性不言而喻，隨著平臺信息的擴(kuò)充及容量的增加，未來平臺安全體系的設(shè)計可進(jìn)一步優(yōu)化完善。