遼寧農業基因資源大數據平臺設計與實施

◎孟未來 陳愛國 吳禹

一、項目背景

近幾年，國家陸續出臺了一系列種質資源基因多樣性保護的相關政策，特別是2021 年中央一號文件《中共中央、國務院關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》發布和第三次全國種質資源普查調查活動的開展，提升了全民的基因資源保護意識，使農作物種質資源庫信息化建設進入了新的發展階段。

遼寧省農業基因資源豐富，涵蓋主要農作物、海洋漁業、淡水水產、經濟林、果樹、花卉、微生物等等，但研究單位機構多導致農業基因資源保存分散；數據庫結構差異大；資源性狀采集信息不完整；共享機制不完善等，以上因素導致我省基因資源共享服務水平和有效利用率偏低。農業現代化，種子是基礎，但種質研究，信息先行。資源的妥善保存是資源有效利用的前提，現代化種質庫是實現資源持久保存的根本保證［1］。建設數字化基因資源平臺是夯實種質資源基礎的關鍵，信息化參與程度決定了種質資源的研究開發和共享利用效率。遼寧省農科院種質庫2009 年開始運行，建筑面積1000 平方米，庫容量為25 萬份，是中國農科院作物研究所國家農作物種質資源共享平臺中心認定的全國農作物種質資源綜合性服務14 個子平臺之一。2011 年遼寧省農科院根據種質庫日常出入庫管理自主設計開發了LGRIS（liaoning germplasm resources information system），該系統實現了種質庫庫內管理與庫外發布的聯動管理。2012 年通過了科技廳的科技成果鑒定，鑒定意見為國內領先水平。多年來，系統運行穩定，共收錄16 種農作物的31000 份資源數據。為我省農作物種質資源管理和引種共享、為農業科研、育種發揮了重要作用。LGRIS 一代系統已經運行多年，隨著庫存量的逐步增多，功能上已經不能滿足種質出入庫和共享發布的需求，并且未包含非主要農作物如果樹、畜禽、林草、海洋、淡水、柞蠶、微生物等基因資源，已經不符合建立大農業、大數據平臺的要求。2021 年遼寧省農科院設立科研專項，開始設計研發遼寧農業生物基因資源共享管理平臺-LGRISS。我省各級政府部門高度重視種質資源工作，沈陽市委市政府積極探索鄉村振興的“沈陽模式”-院地合作，從保障糧食安全、種業安全的戰略高度，2022 年與遼寧省農科院在農作物種質資源收集與研究方面開展共建工作，相關政策及專項資金將助推我省農業生物基因資源共享管理大數據平臺建設的步伐。

二、平臺建設目標

遵循國家種質庫作物數據描述規范，設計開發集電腦端、微信小程序端、智能手機APP 三端合一的多維度、多渠道覆蓋的遼寧農業生物基因資源共享管理平臺。大數據平臺以遼寧省農科院種質庫主要農作物數據為主，以省內其他資源庫圃為輔，整合我省非主要農作物基因資源數據如海洋漁業、淡水水產、牧草畜禽、經濟林、果樹、微生物、柞蠶、蔬菜、花卉、牧草等為一體。通過“物理分散，邏輯統一”的方式進行資源庫圃建設與管理［2］。通過種質資源出入庫管理、田間試驗管理、云監控管理、多媒介共享發布、異地庫圃遠程提交、GIS 統計分析等實現遼寧省農業基因資源數據的廣泛化采集、標準化管理、精準化存儲和多維度共享，并利用大數據技術進行算法和數據庫的優化，實現農業生物基因資源數據的可視化分析，面向管理部門、科研人員、育種工作者實際需求，最終建成高效、便捷、規范、統一的遼寧省大農業生物基因大數據服務平臺，并與國家種質資源共享服務平臺接軌，達到種質資源日常精準管理、廣譜共享和高效利用的目的。

三、平臺技術路線

系統采用B/S 架構，數據庫部署在遼寧省政務云，采用https 傳輸。編程環境及語言采用visual studio、jsp、C#，數據庫為my sql。框架功能如下：

1.種質庫管理模塊：（1）包含資源入庫流程：資源提交、查重、生命力檢測數據、資源編目、性狀信息導入、中長期庫位分配、入庫審核、入庫單文檔生成、diable 二維碼打印、查詢檢索、歷史原數據導入。（2）資源出庫流程：共享端提交表單申請、管理員審核、出庫審核、出庫單文檔生成。（3）日常管理：角色權限管理、庫位空間模擬、工作人員巡庫打卡、種質庫云監控融合、資源預警、田間性狀調查、gis 統計顯示、出入庫統計分析信息。

2.異地庫圃遠程管理：CA 認證登陸，針對非主要農作物資源，基因資源數據提交，資源實物異地庫圃保存。

3.資源展示共享模塊：采用https 傳輸，包含登陸/注冊、資源庫圃云VR、查詢檢索、資源索取（引種利用證明表單pdf 生成）、索取資源物流追蹤、線索提交、基因資源系譜分析、利用數字孿生技術，建設基因資源的虛擬現實展示系統、高清資源圖片庫、資源鏈接、資源專家庫、資源前沿資訊等主要功能模塊。

4.微信小程序：資源查詢、資源獲取、資源線索提交（圖文）、資源庫圃云VR 資源最新資訊、資源專家庫、互動反饋模塊，庫管工作人員掃碼管理功能。

5.手機APP：資源查詢檢索、基因資源獲取、引種單生成、資源追溯回饋、資源實時快遞狀態、特異資源線索提交、資源庫圃云VR 資源最新資訊、農作物性狀田間調查上傳、基因資源專家庫、互動反饋模塊、庫管工作模塊。

基因資源管理流程如下圖：

四、平臺數據安全性保障

1.采用https 傳輸，管理系統端擬用CA 驗證身份，按照設定有效操作時間間隔，超時自動推出重新登錄。

2.角色權限設定分明，共136 權限。

3.完整細密的日志log，確保所有環節操作都可以追溯。

4.服務器部署在遼寧省政務云上，硬件安全有保障。虛擬服務器只開放兩個網絡端口，其余端口都關閉。

五、平臺人性化功能

1.動態冗余設置：作物類別、數據字段、倉庫設置，后期都能根據實際情況設置，進行增刪改操作。

2.系統隱含校驗：時間、重量、發芽率、發芽勢、特定性狀數據等。

3.模板批量導入：系統全過程環節都有模板導入功能，提升效率。

4.高度集成：庫房溫濕巡檢、云監控、庫位模擬、資源預警、出入庫審核表單生成等功能融為一體。

5.報表生成：系統流程申請自動生成入庫單、出庫單、引種利用證明三個表單，確保種質資源提交者和索取資源的數據保存和管理。

六、結束語

相對于LGRIS 的一代系統，LGRISS 作為遼寧省農科院種質庫基因資源管理的二代系統，增加的S 包含4s：save，意即二代系統將加強收集、保存的力度和廣度；Share，系統更加注重共享利用的覆蓋面和效率；service，側重系統的使用便捷性，向科研人員和管理人員服務傾斜；security，更加側重系統和數據安全。4s 設計理念使LGRISS 數據庫涵蓋的基因資源范圍更廣，多信息端的管理方式和獲取方式使日常管理、信息傳播和基因資源共享利用效率大幅提升，有效推動保障我省“農業基因芯片”研究高質量發展。同時將目前已積累的大量關于作物種質資源遺傳多樣性、相關目標性狀基因等分子標記信息乃至基因序列信息與現有平臺相聯合，這是進一步利用信息技術實現科技創新和突破的新支撐點，也必然是今后信息共享體系的重要內容［3］。LGRISS 系統穩定運行后將從以下三個方向繼續加深基因數據的整合和大數據挖掘。

1.開發農作物基因資源育種系譜分析系統。

2.建立基因資源高清圖庫（包含DNA）。

3.利用數字孿生技術，開展基因資源的虛擬現實系統研究。