數(shù)字化育種管理系統(tǒng)對推進(jìn)育種4.0的效應(yīng)研究

文丨余眾龍 曉波

近年來，全球種業(yè)發(fā)展進(jìn)入空前密集創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革時期， 生物育種正迎來以全基因組選擇、基因編輯、合成生物學(xué)等新型生物技術(shù)與圖像識別、 機(jī)器學(xué)習(xí)等信息技術(shù)融合的育種4.0 時代。 世界種業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了4 個階段：1.0 時代是農(nóng)家育種；2.0 時代是雜交育種；3.0 時代是分子育種，包括分子標(biāo)記、轉(zhuǎn)基因育種等；4.0 時代是“生物技術(shù)+大數(shù)據(jù)技術(shù)+人工智能+智能裝備”育種。育種4.0 階段是伴隨人類社會步入互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能育種“三位一體”的時代提出的革命性育種理念，強(qiáng)調(diào)生命科學(xué)、信息科學(xué)與育種科學(xué)的深度融合，是新時代背景下實(shí)現(xiàn)育種“按需定制”及滿足“大食物觀”戰(zhàn)略需求的有力支撐和必要途徑。

華智生物國家水稻分子育種中心

350

2015年，農(nóng)業(yè)部、國家發(fā)展改革委、科技部發(fā)布了《全國農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)與利用中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2030年）》，文中明確我國保存農(nóng)作物種質(zhì)資源48 萬余份， 其中國家長期保存350 多種農(nóng)作物的種質(zhì)資源44 萬份，位居世界第二位。

一、基本情況

2015年，農(nóng)業(yè)部、國家發(fā)展改革委、科技部發(fā)布了《全國農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)與利用中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2030年）》，文中明確我國保存農(nóng)作物種質(zhì)資源48 萬余份， 其中國家長期保存350 多種農(nóng)作物的種質(zhì)資源44 萬份，位居世界第二位。國家初步建立了表型與基因型相結(jié)合的種質(zhì)資源鑒定評價體系，開展了種質(zhì)資源創(chuàng)新研究，并且構(gòu)建了種質(zhì)資源展示和共享平臺。華智生物技術(shù)有限公司為融合國家整體發(fā)展趨勢， 破解當(dāng)時存在的問題，在最為了解的水稻上開始嘗試結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行高通量SNP 檢測， 一次最多反應(yīng)20 萬個數(shù)據(jù)點(diǎn)，這一嘗試走在了大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用前列，也為華智生物技術(shù)有限公司建立便捷、全面、智能的種質(zhì)資源管理系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。經(jīng)多年發(fā)展并進(jìn)一步融合利用大數(shù)據(jù)、 物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)，目前形成了較完整的作物育種管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)對多種農(nóng)作物種質(zhì)資源信息進(jìn)行采集和整理分析，并對育種各流程、信息、操作進(jìn)行統(tǒng)一管理，從而提高育種效率、檢測育種過程、實(shí)時管理育種材料。該系統(tǒng)的實(shí)用功能數(shù)量目前已達(dá)到463 項(xiàng)， 陸續(xù)與37 家企業(yè)達(dá)成合作，并支持不同需求、不同客戶、不同應(yīng)用場景定制不同的版本供用戶選擇。

二、數(shù)字化育種管理系統(tǒng)的意義及功能

華智生物技術(shù)有限公司積極響應(yīng)國家對4.0育種時代的推進(jìn)要求，建立數(shù)字化育種管理系統(tǒng)幫助育種家減輕育種負(fù)擔(dān)，并推進(jìn)數(shù)字技術(shù)和人工智能與育種相結(jié)合， 助力育種時代實(shí)現(xiàn)階段性跨越。數(shù)字化育種管理系統(tǒng)是通過將行業(yè)數(shù)據(jù)、 育種數(shù)據(jù)、表型數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、基因數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析管理，對種質(zhì)資源、種質(zhì)庫存、育種試驗(yàn)、品種測試、基因分析通過移動端或PC 端進(jìn)行展示的平臺系統(tǒng)。數(shù)字化育種管理系統(tǒng)的功能貫穿整個育種過程，為科研院所及育種相關(guān)企事業(yè)單位或個人提供服務(wù)， 旨在為育種事業(yè)提供便利和技術(shù)支持。

華智生物技術(shù)有限公司數(shù)字化育種管理系統(tǒng)用于種質(zhì)資源育種信息管理、擴(kuò)繁信息管理、觀察試驗(yàn)管理、產(chǎn)比試驗(yàn)管理、生產(chǎn)試驗(yàn)管理等。 系統(tǒng)可以綜合管理種質(zhì)育種、擴(kuò)繁項(xiàng)目設(shè)計(jì)、種植規(guī)劃、雜交、回交、田間調(diào)查、觀察測配、收種、新后代自留等信息，還可以對觀察試驗(yàn)、 產(chǎn)比試驗(yàn)、 生產(chǎn)試驗(yàn)中的試驗(yàn)設(shè)計(jì)、種植規(guī)劃、田間調(diào)查等信息進(jìn)行管理，并以此為依據(jù)對種質(zhì)育種進(jìn)行系譜溯源、雜交推薦、育種數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等管理分析操作。

1.育種材料管理

育種材料管理模塊可以通過種質(zhì)管理中的近似品種比對或根據(jù)性狀查詢種質(zhì)資源信息， 也可以根據(jù)基因信息比對獲取材料。 同時，對于上一季材料進(jìn)行一鍵導(dǎo)入， 并支持從種質(zhì)管理中選擇種質(zhì)以及從育種管理中的自留材料中選擇種質(zhì)，以減少工作量，提高工作效率。

2.育種種植規(guī)劃

系統(tǒng)對種植進(jìn)行規(guī)劃時會按照育種流程的不同環(huán)節(jié)， 將不同育種目的的材料分別種到對應(yīng)的資源圃、分離圃、高世代選育圃、雜交圃等育種圃中。 在種植過程中，育種專家會將他們收集的育種材料分別放在不同的塑料袋中， 根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃的種質(zhì)計(jì)劃分發(fā)至各基地， 基地根據(jù)每個育種專家的材料進(jìn)行連續(xù)排列， 形成種植排布圖并生成田間編碼記錄于系統(tǒng)中， 出苗期可以批量打印田間編碼進(jìn)行貼牌，用于標(biāo)記不同的材料。

3.性狀、雜交配對信息管理

田間操作人員可以通過手機(jī)端或者無人機(jī)智能識別采集種質(zhì)材料育種過程中任意時期的特定性狀和圖片， 通過對性狀圖片進(jìn)行采集或者工作人員對性狀的錄入或?qū)虢y(tǒng)一保存管理到系統(tǒng)中， 同時會對材料之間的雜交配對信息進(jìn)行維護(hù)與管理， 并快速進(jìn)行配對規(guī)劃，其中雜交配對信息包含父本信息、母本信息、父本田間編碼、母本田間編碼等。系統(tǒng)在維護(hù)與管理雜交配對的實(shí)施操作信息時可以通過電腦端與手機(jī)端進(jìn)行雜交實(shí)時數(shù)據(jù)、實(shí)施的株系號、去雄時間、授粉時間及實(shí)施員身份信息等的記錄。

4.育種材料、試驗(yàn)管理

系統(tǒng)通過連接育種材料專有庫對育種材料進(jìn)行管理，在系統(tǒng)連接管理的育種材料專有庫中可以隨時查詢材料標(biāo)號、材料名稱、世代、父母本株號、父母本編碼等種質(zhì)材料的信息。系統(tǒng)同時對觀察試驗(yàn)、產(chǎn)比試驗(yàn)中試驗(yàn)設(shè)計(jì)、種植規(guī)劃、田間調(diào)查等信息進(jìn)行綜合管理，并以此為依據(jù)對種質(zhì)育種進(jìn)行系譜溯源、雜交推薦、育種數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等管理分析操作。系統(tǒng)可以采用間比法和隨機(jī)區(qū)組法等分析方式建立相應(yīng)的育種試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，生成觀察試驗(yàn)、初級鑒定試驗(yàn)、高級鑒定試驗(yàn)、產(chǎn)比試驗(yàn)等單點(diǎn)或多點(diǎn)Excel 報表和Word 報告， 同時支持系統(tǒng)用戶在線預(yù)覽報表和報告。

5.庫存管理

系統(tǒng)搭配智能化種質(zhì)資源庫智能分放各類種質(zhì)資源， 在庫中支持一材料一倉位和多材料一倉位，通過與計(jì)算機(jī)連接，精確展示各倉庫儲存的種質(zhì)資源的種類和數(shù)量。 對于不同庫位，管理者有權(quán)限對其進(jìn)行特殊命名并對其管理的各類種質(zhì)資源信息進(jìn)行查詢。 在有種質(zhì)資源出入庫時，用戶需要在系統(tǒng)中進(jìn)行出入庫申請，同時管理員會針對各出入庫申請進(jìn)行審核，審核通過后即可進(jìn)行出入庫操作。 入庫時用戶提交種子入庫申請表，選擇需要入庫的種質(zhì)列表、種質(zhì)名稱、種質(zhì)編碼、倉庫名稱、申請數(shù)量、計(jì)量單位、含水量、芽勢、芽率等信息。出庫時用戶提交種子出庫申請表，包括種質(zhì)名稱、種質(zhì)編碼、申請數(shù)量、計(jì)量單位、用種目的、出庫倉庫、出庫倉位等信息。管理員審核通過后即可對種質(zhì)資源進(jìn)行出入庫操作。

三、數(shù)字化育種管理系統(tǒng)的應(yīng)用

華智生物技術(shù)有限公司數(shù)字化育種管理系統(tǒng)已在多個項(xiàng)目中展示了自身風(fēng)采，某種業(yè)科研基地總部科創(chuàng)基地數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目、某煙草育種數(shù)據(jù)系統(tǒng)項(xiàng)目等都是作物數(shù)字化育種管理系統(tǒng)發(fā)揮重大作用的成功案例。

某種業(yè)科研基地總部科創(chuàng)基地數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目以谷子、玉米繁育為基礎(chǔ)，圍繞谷子、玉米的育、繁、推、種、養(yǎng)、加等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行信息采集，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、分子育種等關(guān)鍵技術(shù)；配置水肥一體化、智能數(shù)字化考種、無人機(jī)等關(guān)鍵育種設(shè)備；采用育種信息化管理系統(tǒng)、溯源系統(tǒng)等軟件系統(tǒng)構(gòu)建一個智能繁育基地，示范引領(lǐng)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)建設(shè)，以提升谷子、玉米繁育水平、生產(chǎn)經(jīng)營和管理數(shù)字化水平。 數(shù)字化育種管理系統(tǒng)為谷子、玉米作物信息的種質(zhì)資源管理、種質(zhì)庫存管理、種質(zhì)擴(kuò)繁管理，品種選育種活動相關(guān)的雜交育種，實(shí)驗(yàn)室科研相關(guān)的基因管理、測序序列管理，田間農(nóng)事活動相關(guān)的性狀采集、農(nóng)事記錄管理，生產(chǎn)試驗(yàn)、區(qū)域試驗(yàn)、預(yù)備試驗(yàn)等品種測試管理提供支持。 系統(tǒng)通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等先進(jìn)信息技術(shù)，使生產(chǎn)經(jīng)營者能更加便捷、靈活地掌握天氣變化數(shù)據(jù)及谷子、玉米生長數(shù)據(jù)等，以更加準(zhǔn)確地判斷其生長需求；通過空間地理信息等技術(shù)，能提高大田糧食生產(chǎn)的監(jiān)測、 預(yù)警水平和產(chǎn)量評估水平，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然環(huán)境風(fēng)險的應(yīng)對能力；通過智能設(shè)施合理安排用工、用時、用地，提高谷子、玉米生產(chǎn)組織化水平和勞動生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理，推動形成資源利用高效、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、產(chǎn)地環(huán)境良好、產(chǎn)品質(zhì)量安全的農(nóng)業(yè)發(fā)展新格局。

華智生物為園區(qū)企業(yè)提供的共享實(shí)驗(yàn)室

某煙草育種數(shù)據(jù)系統(tǒng)項(xiàng)目通過設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的功能模塊，進(jìn)行煙草育種信息管理系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)煙草育種數(shù)據(jù)流的管理及分析。 項(xiàng)目以煙草育種和繁種為核心， 充分考慮煙草育種在種質(zhì)資源管理、育種方法、育種流程、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等方面的專業(yè)性和獨(dú)特性，開發(fā)出一款界面友好、操作快捷、兼容性好、專業(yè)性強(qiáng)的煙草育種科研信息化產(chǎn)品，建立“煙草育種數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”，對煙草育種進(jìn)行數(shù)據(jù)化管理，形成育種閉環(huán)，解決了信息壁壘問題，實(shí)現(xiàn)了育種流程化管理，依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、性狀檢索、品種比對等方式，為育種雜交配組提供材料選擇依據(jù)， 該系統(tǒng)的建立為煙草智慧育種奠定了基礎(chǔ)。 依托平臺功能、小程序及便攜式設(shè)備，提高數(shù)據(jù)采集效率，及時完成數(shù)據(jù)采集工作，從而有效管理數(shù)據(jù)，出具匯總報告，提高工作效率。 該系統(tǒng)在使用過程中能夠同時管理煙草種質(zhì)資源、分子育種、試驗(yàn)管理、農(nóng)業(yè)評價、工業(yè)評價、多組學(xué)數(shù)據(jù)分析等煙草育種的全過程。 用戶可以利用該平臺管理育種各個環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全流程信息化，幫助研發(fā)人員高效地采集、管理、分析和利用煙草育種研發(fā)涉及的各類數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)價值，提高育種效率。 該系統(tǒng)充分考慮信息的安全性和保密性，所有數(shù)據(jù)都采用加密傳輸， 并擁有一個強(qiáng)大的后臺管理模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和功能特點(diǎn)的精細(xì)化管理。 允許根據(jù)使用者實(shí)際工作需求和保密級別設(shè)置不同等級的用戶權(quán)限，以最大限度地保護(hù)商業(yè)育種的核心技術(shù)。

四、展望

育種管理系統(tǒng)的數(shù)字化融合減少了育種專家的工作量，促進(jìn)了育種時代的進(jìn)步，但目前我公司較為全面的育種管理系統(tǒng)為作物育種管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)貫穿作物育種全過程， 從作物種質(zhì)資源的儲存、種植、試驗(yàn)、測試到新品種的出入庫全程進(jìn)行統(tǒng)一管理。 華智生物技術(shù)有限公司將對當(dāng)前的數(shù)字化管理系統(tǒng)進(jìn)行更深層次的挖掘與優(yōu)化， 加強(qiáng)系統(tǒng)與機(jī)械設(shè)備之間的連接， 促進(jìn)自動化農(nóng)機(jī)的使用，降低育種事業(yè)人力消耗；建立統(tǒng)一信息門戶，幫助各育種專家分享育種成果，互相學(xué)習(xí)、加強(qiáng)溝通，推動全國育種事業(yè)發(fā)展；簡化系統(tǒng)操作，幫助農(nóng)戶便捷使用系統(tǒng)，擴(kuò)大育種規(guī)模。

同時， 華智生物技術(shù)有限公司意識到育種事業(yè)不僅需要大力發(fā)展作物育種，在水產(chǎn)、畜牧等領(lǐng)域也需要不斷進(jìn)行新物種的繁育，需進(jìn)一步發(fā)揮前沿技術(shù)優(yōu)勢，對水產(chǎn)、畜牧等領(lǐng)域建立適用于多物種的育種管理系統(tǒng)，促進(jìn)各領(lǐng)域育種事業(yè)發(fā)展，提高各領(lǐng)域育種事業(yè)工作效率，為工作者提供技術(shù)支持。