貴州作物種質資源信息管理平臺構建與應用

李 歡， 譚金玉， 陳惠查， 霍可以， 黎小冰， 桑海偉， 阮仁超

(1.貴州省農業科學院農作物品種資源研究所， 貴陽 550006；2.貴州省農業科學院園藝研究所， 貴陽 550006； 3.貴州師范學院， 貴陽 550018)

農作物種質資源是作物遺傳改良和種質創新的物質基礎，是提高我國農業綜合生產能力、維系國家糧食安全的重要保證，也是人類社會生存發展的重要戰略資源[1]。

國內外都十分重視種質資源的保存和智能化信息平臺的構建。美國、歐洲、日本等國家已經建立了自己的作物種質資源管理平臺外[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資源數據平臺[4-9]。這些平臺的建立對種質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環境孕育了豐富的作物種質資源，是全國特色農作物種質資源較為富集的地區。包括許多全國稀有、特有的作物種質資源，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，貴州省農業科學院參加國家科技基礎性工作專項“貴州農業生物資源調查”項目，就搜集保存了4 000多份貴州地方特色作物種質資源[10-12]。據不完全統計，貴州省目前通過各類途徑集中保存于省農科院內的作物種質資源有數萬份，面對如此紛繁復雜的種質資源，構建一個貴州作物種質資源信息管理平臺就顯得尤為重要。

貴州省傳統的作物種質資源信息數據庫存在著規范標準不統一、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，且數據庫平臺建設分散雜亂、平臺知曉度不高、使用頻率較低，有的甚至形同虛設。久而久之，導致貴州作物種質資源信息數據丟失嚴重、資源利用效率、效益低下。在大數據時代的今天，這不僅降低了種質資源育種工作者、科研人員和生產部門的工作效率，還嚴重制約著貴州省作物種質資源數據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資源信息管理現狀，設計構建貴州作物種質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資源的基礎數據庫、鑒定評價數據庫、圖片庫等相關信息進行收集整理，以“統一標準、統一編目、聯合上網、資源共享”為原則，實現種質資源信息自動建庫、統一管理、統一檢索功能，提高貴州省作物種質資源的利用效率和效益，促進種質資源保護與利用。

1 貴州作物種質資源信息管理平臺總體設計

1.1 總體目標

貴州作物種質資源信息管理平臺采用統一的業務流程、術語標識和數據共享等標準化體系，遵循通信、網絡、數據交換、信息安全等相關國家或行業標準，保證平臺運轉具有較長的生命周期，實現對貴州作物種質資源的有效管理和共享利用。開發一套基于Web、移動無線通訊等技術的作物種質資源管理平臺，實現資源信息上傳匯總、數據分析匯總等管理功能，實現數據實時上傳、記錄和保存等功能。管理者可以通過該系統進行科學化的管理，足不出戶即可通過平臺各類電子表格掌握作物種質資源的現狀。系統構建具備精準管理、操作方便快捷、不限用戶數、可跨區域使用等特點。

1.2 總體設計

貴州作物種質資源信息管理平臺的開發基于B/S結構(Browser/ Server，瀏覽器/服務器)模式，B/S架構具有平臺無關性的特點，易于部署和擴展。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，保證了系統的健壯性、可擴展、可延伸性和可維護性。外部用戶使用Windows、平板、智能手機等操作系統通過瀏覽器即可對平臺進行公網訪問。用戶工作界面簡潔、直觀、友好，人機交互性強。基于菜單的操作方式，用戶只需按照要求選擇相應菜單或按鈕，系統在后臺響應用戶操作過程，讓用戶在最短時間內，不需要經過專門培訓，就可以瀏覽查詢所需要的種質資源信息。

貴州作物種質資源信息管理平臺系統采用多層邏輯架構(圖1)，該系統主要包括表現層、開發核心、中間件層以及數據服務層等模塊： 1) 表現層是后臺種質資源信息對用戶的直接展示，使用戶更直觀地感知信息。通過視覺設計，決定信息在視覺上的呈現方式，主要包括了Web App、JS/CSS框架等。 2) 開發核心層作為系統的大腦，實現了系統的主要控制模塊。本系統是在集成開發工具Eclipse下完成的，包含了Web 控制層、業務邏輯層、數據庫持久層，通過公用jar包、單元測試框架、元數據框架來實現三個層級的邏輯。 3) 中間件層就像系統的神經網絡，將底層與表現層連接起來，提供統一的通信支持，對數據進行統一處理，包含有負載均衡、Web容器、消息中間件、以及ESB。 4) 數據服務層直接對數據庫進行訪問和操作管理，通過MySQL搭建能夠提供分布式數據動態訪問的服務。

1.3 開發環境

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

1.4 數據庫的設計

本平臺以國家自然科技資源共享平臺建設項目中編制的系列《農作物種質資源技術規范叢書》作為各類作物種質資源信息的描述規范，對貴州作物種質資源分門別類制定標準化的數據描述表格。以當前貴州作物種質資源保存保護體系為依據，結合國家農作物種質資源數據中心管理規范，遵循對應性、唯一性的原則設計了全國統一編號、地方(貴州)統一編號、庫編號、引種號、采集號、種質名稱、種質外文名、科名、屬名、學名、國家、省、原產地、海拔、來源地、經度、緯度等155個屬性字段來制定平臺數據信息規范。平臺字段的設置具有可拓展性，管理員可根據不同作物的種質類型(野生或野生近緣種、地方品種、引進品種/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 貴州作物種質資源信息管理平臺數據來源及應用

2.1 數據來源

貴州作物種質資源信息管理平臺數據來源主要依據貴州省農業科學院10余個直屬研究所分建的種質資源庫、育種工作者或科研人員錄入的種質資源信息以及通過承擔各類生物資源調查項目中收集到的貴州地方特色種質資源信息。貴州省農科院現今集中保存有數萬份作物種質資源，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 平臺應用

2.2.1種質資源信息錄入與審核

貴州作物種質資源信息管理平臺保存的種質資源類別主要包括：糧食作物、經濟作物、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；經濟作物包括纖維類和油料類等。系統管理員可根據需要對種質資源類別進行修改、刪除、新建等操作(圖2 a)。具體操作步驟：登錄系統→作物類別→新建→進入新建作物類別管理頁面。

平臺根據《農作物種質資源技術規范叢書》對種質資源的描述規范和評價標準設計了數據描述標準表格，每個種質資源信息包含了全國統一編號、庫編號、引種號、采集號、種質名稱、科名、屬名、學名、原產地、海拔、經度、緯度等155個屬性字段。信息錄入人員根據表格填寫相關種質資源信息，單個或者批量導入平臺，同時可允許上傳5張種質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→種質作物數據錄入→選擇類別(例：糧食作物→水稻)→進入 Excel 導入或手動錄入頁面→選擇錄入的數據→點擊上傳圖片/ GIS 定位。種質資源數據錄入界面可進行數據新增、詳細信息瀏覽、編輯、刪除、圖片管理、數據導入、導出、GIS定位、審核狀態、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維護、新建用戶和對數據的操作權限。具體表現為查詢、修改種質資源信息，新建市區、縣用戶，發布信息，統計分析報表等。具體操作步驟：登錄系統→系統設置→用戶管理→進入新建用戶頁面→確定歸屬區域。后臺管理系統在貴州省86個縣/區中每個縣/區設置信息錄入管理員(圖2 e)，可上傳、檢索、修改、管理本區域種質資源數據，但不具備修改其他區域的作物種質資源數據的權限。錄入人員上傳本區域種質資源信息后，需提交以待審核，后臺系統管理員根據相關技術規程進行審核操作(圖2 f)。具體操作步驟：登錄系統→種質作物數據審核→選擇待審核。

2.2.2種質資源信息查詢

該平臺提供用戶自定義查詢和自定義展示字段并導出種質資源信息功能。用戶進入需要查詢的作物類別頁面后，可使用默認的檢索條件查詢，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GIS定位選擇查看具體縣/區的種質資源信息(圖3)。具體操作步驟：登錄系統→作物種質數據查詢→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種質資源共享

本平臺的建設初衷為作物種質資源的信息查詢與共享利用提供一個高效便捷的平臺，實現特定作物種質資源的信息共享與實物共享。用戶登錄本平臺后，可根據相關制度規定，直接聯系系統管理員，完成作物種質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資源的保護與利用。國務院辦公廳2019年發布《關于加強農業種質資源保護與利用的意見》指出，要加強種質資源保護與利用工作。貴州作物種質資源豐富多樣，然而資源保存分散、資源數字化、網絡化管理薄弱。貴州作物種質資源信息管理平臺的構建對作物種質資源的保護、利用與管理維護具有重要意義，其本身是一項系統的工程，涉及學科范圍廣、專業性強。貴州省在20世紀90年代就開始此項工作，隨著信息技術發展和相關軟件的開發利用，及時更新完善種質資源數據系統，以進一步加強種質資源保護與利用。

本平臺將資源數據進行有效、精準的電子化管理，提高貴州省作物種質資源的信息化、數字化管理水平；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研究，實現種質資源的高效利用。同時，貴州省種質資源平臺的建立與國家作物種質資源數據中心形成兩級聯動、互為補償的機制，充實了種質資源信息網絡。本平臺較傳統數據庫增加了上傳種質資源圖片元件功能，用戶在上傳數據信息的同時可將種質資源的采樣生境、植株和種子形態特征等圖片一并上傳，使得種質資源信息更加完善，保障了資源信息與資源樣品實物的對應與銜接。

本平臺建成后，后期運行、維護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作物種質資源普查與收集工作是充實平臺數據的重要途徑，未來貴州省農作物種質資源庫的建成也將為平臺提供強大的數據來源支撐。作物種質資源作為國家的戰略資源，數據信息的安全性不言而喻，隨著平臺信息的擴充及容量的增加，未來平臺安全體系的設計可進一步優化完善。