智能化畜禽基因庫助力種業(yè)振興

文│王桐（北京田園奧瑞生物科技有限公司）

種業(yè)振興的關(guān)鍵是核心技術(shù)“解卡”，“解卡”的關(guān)鍵是“武器裝備”自主研發(fā)制造，即擁有自主掌握核心技術(shù)、方案以及軟件系統(tǒng)的智能控制畜禽基因庫。要做好種質(zhì)資源保存，不僅要建好基因庫，還要做好遺傳物質(zhì)超低溫保存相關(guān)設(shè)備、技術(shù)、試劑的配套研發(fā)制造，聯(lián)合科研、應(yīng)用單位做好推廣與應(yīng)用。

建立智能化畜禽基因庫，打造高水平研究種質(zhì)資源研究利用服務(wù)平臺，對于提高畜禽種質(zhì)資源的保存、研究、創(chuàng)新能力，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。將中國畜禽種質(zhì)資源以超低溫保存的方式固定，用智能控制基因庫將遺傳物質(zhì)以及數(shù)據(jù)信息保存管理，實現(xiàn)種質(zhì)資源自主可控、基因信息閉環(huán)安全，以達(dá)到“物質(zhì)”“數(shù)據(jù)”雙保險的目的。一手端牢“碗”，一手握緊“劍”，堅決打贏種業(yè)“翻身仗”！

一、我國畜禽種質(zhì)資源現(xiàn)狀與保種的意義

截至2021年年底，我國已查清摸實948個畜禽品種及分布、鑒定優(yōu)質(zhì)特色新種質(zhì)資源18個，國家家畜基因庫搶救性保存種質(zhì)資源遺傳物質(zhì)5萬份。中國畜禽遺傳資源普查及保存保護工作為全國、全世界交上了一份關(guān)于畜禽種質(zhì)資源普查、保存、保護的成績單。在這份成績單的背后，以智能化基因庫體系與精液冷凍技術(shù)體系為支撐的畜禽遺傳資源靜態(tài)保存發(fā)揮了越來越重要的作用。

我國家畜基因庫遺傳資源保存總量躍居世界首位，達(dá)到120萬份。目前我國有159個國家級畜禽遺傳資源保護品種，其中147個已經(jīng)采取了動態(tài)保種方式建立保種場或保護區(qū)。與此同時，各地政府與相關(guān)責(zé)任單位也在積極推進各級畜禽種質(zhì)資源庫暨畜禽基因庫的建設(shè)。我國作為世界范圍內(nèi)畜禽種質(zhì)資源極其豐富的國家之一，擁有珍貴且豐厚的動物基因?qū)殠欤哂行酆竦男笄莘N業(yè)振興與創(chuàng)新的基礎(chǔ)。畜禽種質(zhì)資源屬于戰(zhàn)略資源，關(guān)乎國家安全的觀念已經(jīng)深入人心，在全國畜禽遺傳資源普查工作取得突出成就之后，時代賦予我們的使命與職責(zé)是進一步保存好、把握住處于動態(tài)變化中的種質(zhì)遺傳資源，站在國家戰(zhàn)略與利益的高度上為行業(yè)進步、科學(xué)研究、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等構(gòu)建以遺傳物質(zhì)保存與基因信息安全為核心的全新平臺。

世界上用以保存畜禽遺傳資源的方法主要有活體保存與基因保存兩大方向。活體保存的缺點突出，需設(shè)立專門區(qū)域、維持一定種群，其維護成本十分高昂，且某種程度上一些遺傳物質(zhì)特質(zhì)會隨著個體消亡而丟失。血樣、配子、胚胎、體細(xì)胞等保存方法也有較為廣泛的應(yīng)用。從多年實踐經(jīng)驗來看，基因庫建設(shè)配合冷凍精液技術(shù)是畜禽遺傳資源保存優(yōu)秀有效方案，具有很大實用價值與推廣前景。

我國現(xiàn)有國家級畜禽遺傳資源基因庫6座，涉及家畜、家禽以及蜜蜂等物種。位于北京的國家級家畜基因庫是惟一一家主要以冷凍保存為保種形式的國家級基因庫。其始建于1997年，探索使用超低溫保存技術(shù)保存多物種遺傳物質(zhì)的方法以及基因庫的管理經(jīng)驗與模式，為我國后續(xù)發(fā)展以冷凍形式保存遺傳物質(zhì)的基因庫做出了巨大貢獻(xiàn)。

二、發(fā)展智能控制畜禽基因庫的重要意義

畜禽種質(zhì)資源的保存、保護與利用，是關(guān)系到國家百姓食品安全、守住紅線的戰(zhàn)略行為，是我國畜牧業(yè)保持健康、自主、持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。我國畜禽種質(zhì)資源保護面臨著遺傳多樣性不斷減少、資金不足，技術(shù)落后等諸多困難。

畜禽基因庫是一項服務(wù)于種業(yè)振興國家戰(zhàn)略的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，對畜禽遺傳資源進行存儲、基因數(shù)據(jù)讀取、信息開放共享，可以對挖掘基因資源潛能，支撐種業(yè)科學(xué)研究與畜禽產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新起到關(guān)鍵作用。并可拓展為綜合性多物種遺傳資源基因庫。可對地方優(yōu)質(zhì)畜禽品種遺傳資源收集保存加以利用，對引進特別優(yōu)秀個體遺傳資源進行收集保存。通過超低溫冷凍技術(shù)，保存物質(zhì)包括但不限于精子、卵子、胚胎、血液等。部分替代活體保種，達(dá)到長時間、高效穩(wěn)定保存超大量遺傳資源的目的。在保存“物質(zhì)”的同時，可通過智能化數(shù)據(jù)管理建立高效的信息處理、儲存的方法與流程，形成種質(zhì)資源研究和創(chuàng)新的平臺，對于我國畜禽種質(zhì)基因庫建設(shè)專欄 資源的保存保護與利用、種業(yè)安全意義重大，滿足種業(yè)振興的核心訴求—種業(yè)安全！

三、智能化畜禽基因庫構(gòu)成

基因庫數(shù)字化建設(shè)按需求劃分為智能現(xiàn)場控制器、中控數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，中控前端、中控平臺，監(jiān)控前端，傳感器組六部分。

智能現(xiàn)場控制器與液氮罐內(nèi)安置的傳感器組相鏈接。智能現(xiàn)場控制器間隔一定時間（可設(shè)定時間間隔）從傳感器組上讀取液氮罐內(nèi)的液氮液位和溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。智能現(xiàn)場控制器具備顯示實時數(shù)據(jù)、對異常數(shù)據(jù)發(fā)出聲光報警（根據(jù)設(shè)置）的功能，工作人員手工操作，控制液氮電磁閥門加注或者停止加注液氮。

中控數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)會將液氮罐的實時數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，同時，會將實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給中控前端和多個監(jiān)控前端，供相關(guān)應(yīng)用實時刷新和展示數(shù)據(jù)變化情況。

中控前端可獲取和展示實時數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程遙控智能現(xiàn)場控制器，遙控開啟或停止加注液氮等操作。

中控平臺具備一系列數(shù)據(jù)處理和分析功能，如：歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)曲線等，還可以用來管理入庫、出庫、庫存的基因數(shù)據(jù)，是整個系統(tǒng)的運行大腦，從全局監(jiān)測整個基因庫的運轉(zhuǎn)情況。

歷史數(shù)據(jù)的長久保存有賴于數(shù)據(jù)庫采用的雙機熱備NoSQL服務(wù)，以便于從長期數(shù)據(jù)中分析當(dāng)前庫區(qū)的液氮罐運行情況，查找潛在隱患，力爭做到防患于未然。

監(jiān)控前端僅用于展示基因庫全庫的實時運行情況和基因數(shù)據(jù)，為保證安全性，其不能對智能現(xiàn)場控制器發(fā)送指令修以及相關(guān)數(shù)據(jù)的修改。

基因庫數(shù)字化建設(shè)利用了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)、IoT技術(shù)、傳感器和遠(yuǎn)程控制技術(shù)等，并將其進行整合，可基因庫智能化監(jiān)測和運營水平大幅提升，提升單庫及多庫的整體運行效率。有了數(shù)字化、智能化建設(shè)等堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，未來在全國范圍的多庫互聯(lián)，數(shù)據(jù)共享、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一監(jiān)控將成為現(xiàn)實。

智能化畜禽基因庫的設(shè)計、建設(shè)、落成可實現(xiàn)可擴展的基因庫架構(gòu)、中央系統(tǒng)控制、液氮罐數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、實時溫度數(shù)據(jù)曲線、實時液位數(shù)據(jù)曲線、液氮罐故障自動聲光報警、故障自動遠(yuǎn)程報警、自動加氮、遠(yuǎn)程加氮、歷史數(shù)據(jù)曲線、基因數(shù)據(jù)庫管理、樣本入庫、庫存管理、樣本出庫查詢、報表統(tǒng)計等功能與工作。

四、智能化畜禽基因庫執(zhí)行方案

根據(jù)某省實際使用需求，綜合考慮未來5～8年甚至更長時間內(nèi)的樣本存儲量條件，省內(nèi)全物種遺傳材料收集應(yīng)做到有效、安全的保障。在完成遺傳材料的長期穩(wěn)定儲存及數(shù)據(jù)可追溯標(biāo)準(zhǔn)實驗室化管理。還應(yīng)該考慮存放地在使用和接收液氮時的方便性及操作人員的安全性。

結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)階段畜禽基因庫建設(shè)情況，在硬件設(shè)備配置上不推薦杜瓦罐或自增壓液氮罐做液氮補充。采取液氮塔進行液氮補給，其優(yōu)勢在于液氮塔安全性高，揮發(fā)量小，壽命長，綜合使用成本低。配置20個175升基因庫專用液氮罐，可以很好地貼合基因庫樣本管理系統(tǒng)做好數(shù)據(jù)可追溯，管理分級別的多樣化管理方案。此方案可以有效保障80萬～100萬份的遺傳材料儲存能力，并且可隨著儲存量的增大而進行擴增。

技術(shù)方案涵蓋液氮遠(yuǎn)程監(jiān)控及軟件、硬件相結(jié)合的集成配置，從下至上按需求劃分為傳感器組、智能現(xiàn)場控制器，中控數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，中控平臺，中控前端和監(jiān)控前端，六部分組成。

1.展示系統(tǒng)。

（1）自主設(shè)計展示形式，多屏顯示內(nèi)容。

（2）自主編輯顯示內(nèi)容，單位信息、種源種業(yè)信息、地方物種情況等。

（3）展示形式多樣，文字、動畫、圖片相結(jié)合的互動展示模式。

（4）虛擬現(xiàn)實展示、教學(xué)、宣傳功能。

2.儲存補給。

（1）液氮罐。

（2）液氮塔。

（3）總控制系統(tǒng)。

（4）液位和壓力。

3.生物樣本存儲功能系統(tǒng)。

（1）液位顯示和報警功能。

（2）溫度顯示和報警功能。

（3）自動充灌液氮的功能。

（4）溫度補償和排氣功能。

（5）液氮罐通訊功能。

（6）遠(yuǎn)程實時監(jiān)控功能。

（7）遠(yuǎn)程報警功能。

（8）數(shù)據(jù)自動存儲功能。

（9）遠(yuǎn)程查詢功能。

（10）集中實時顯示功能。

（11）顯示內(nèi)容設(shè)置功能。

4.樣本液位監(jiān)控補給系統(tǒng)。

（1）遠(yuǎn)程報警及APP查詢。

（2）可觸發(fā)液氮灌注補給，過溢保護裝置，防止液氮溢出。

（3）單位時間間隔自動保存液氮罐狀態(tài)數(shù)據(jù)。

5.中央顯示系統(tǒng)。

（1）屏幕顯液氮罐各項數(shù)據(jù)。

（2）顯示樣本庫內(nèi)氧氣含量。

6.樣本管理系統(tǒng)。

（1）實現(xiàn)全面收集、保存、檢索、分析和管理樣本信息，并挖掘和利用樣本及其相關(guān)信息，使樣本信息得到完善保存。

（2）采用虛擬化圖形模擬客戶使用環(huán)境。

（3）系統(tǒng)升級不影響。

（4）信息授權(quán)管理。

（5）數(shù)據(jù)信息符合各個物種國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的編號等信息要求。

（6）軟件包含多品種信息。

（7）包含存儲容器信息。

（8）包含遺傳物質(zhì)類型。