數字化育種管理系統對推進育種4.0的效應研究

文丨余眾龍 曉波

近年來，全球種業發展進入空前密集創新和產業變革時期， 生物育種正迎來以全基因組選擇、基因編輯、合成生物學等新型生物技術與圖像識別、 機器學習等信息技術融合的育種4.0 時代。 世界種業發展經歷了4 個階段：1.0 時代是農家育種；2.0 時代是雜交育種；3.0 時代是分子育種，包括分子標記、轉基因育種等；4.0 時代是“生物技術+大數據技術+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網、大數據、人工智能育種“三位一體”的時代提出的革命性育種理念，強調生命科學、信息科學與育種科學的深度融合，是新時代背景下實現育種“按需定制”及滿足“大食物觀”戰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

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2015年，農業部、國家發展改革委、科技部發布了《全國農作物種質資源保護與利用中長期發展規劃（2015—2030年）》，文中明確我國保存農作物種質資源48 萬余份， 其中國家長期保存350 多種農作物的種質資源44 萬份，位居世界第二位。

一、基本情況

2015年，農業部、國家發展改革委、科技部發布了《全國農作物種質資源保護與利用中長期發展規劃（2015—2030年）》，文中明確我國保存農作物種質資源48 萬余份， 其中國家長期保存350 多種農作物的種質資源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合的種質資源鑒定評價體系，開展了種質資源創新研究，并且構建了種質資源展示和共享平臺。華智生物技術有限公司為融合國家整體發展趨勢， 破解當時存在的問題，在最為了解的水稻上開始嘗試結合大數據技術進行高通量SNP 檢測， 一次最多反應20 萬個數據點，這一嘗試走在了大數據技術應用前列，也為華智生物技術有限公司建立便捷、全面、智能的種質資源管理系統打下了堅實的基礎。經多年發展并進一步融合利用大數據、 物聯網和人工智能技術，目前形成了較完整的作物育種管理系統。該系統對多種農作物種質資源信息進行采集和整理分析，并對育種各流程、信息、操作進行統一管理，從而提高育種效率、檢測育種過程、實時管理育種材料。該系統的實用功能數量目前已達到463 項， 陸續與37 家企業達成合作，并支持不同需求、不同客戶、不同應用場景定制不同的版本供用戶選擇。

二、數字化育種管理系統的意義及功能

華智生物技術有限公司積極響應國家對4.0育種時代的推進要求，建立數字化育種管理系統幫助育種家減輕育種負擔，并推進數字技術和人工智能與育種相結合， 助力育種時代實現階段性跨越。數字化育種管理系統是通過將行業數據、 育種數據、表型數據、影像數據、環境氣象數據、基因數據等進行分析管理，對種質資源、種質庫存、育種試驗、品種測試、基因分析通過移動端或PC 端進行展示的平臺系統。數字化育種管理系統的功能貫穿整個育種過程，為科研院所及育種相關企事業單位或個人提供服務， 旨在為育種事業提供便利和技術支持。

華智生物技術有限公司數字化育種管理系統用于種質資源育種信息管理、擴繁信息管理、觀察試驗管理、產比試驗管理、生產試驗管理等。 系統可以綜合管理種質育種、擴繁項目設計、種植規劃、雜交、回交、田間調查、觀察測配、收種、新后代自留等信息，還可以對觀察試驗、 產比試驗、 生產試驗中的試驗設計、種植規劃、田間調查等信息進行管理，并以此為依據對種質育種進行系譜溯源、雜交推薦、育種數據與試驗數據統計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管理中的近似品種比對或根據性狀查詢種質資源信息， 也可以根據基因信息比對獲取材料。 同時，對于上一季材料進行一鍵導入， 并支持從種質管理中選擇種質以及從育種管理中的自留材料中選擇種質，以減少工作量，提高工作效率。

2.育種種植規劃

系統對種植進行規劃時會按照育種流程的不同環節， 將不同育種目的的材料分別種到對應的資源圃、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， 根據系統規劃的種質計劃分發至各基地， 基地根據每個育種專家的材料進行連續排列， 形成種植排布圖并生成田間編碼記錄于系統中， 出苗期可以批量打印田間編碼進行貼牌，用于標記不同的材料。

3.性狀、雜交配對信息管理

田間操作人員可以通過手機端或者無人機智能識別采集種質材料育種過程中任意時期的特定性狀和圖片， 通過對性狀圖片進行采集或者工作人員對性狀的錄入或導入統一保存管理到系統中， 同時會對材料之間的雜交配對信息進行維護與管理， 并快速進行配對規劃，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。系統在維護與管理雜交配對的實施操作信息時可以通過電腦端與手機端進行雜交實時數據、實施的株系號、去雄時間、授粉時間及實施員身份信息等的記錄。

4.育種材料、試驗管理

系統通過連接育種材料專有庫對育種材料進行管理，在系統連接管理的育種材料專有庫中可以隨時查詢材料標號、材料名稱、世代、父母本株號、父母本編碼等種質材料的信息。系統同時對觀察試驗、產比試驗中試驗設計、種植規劃、田間調查等信息進行綜合管理，并以此為依據對種質育種進行系譜溯源、雜交推薦、育種數據與試驗數據統計分析等管理分析操作。系統可以采用間比法和隨機區組法等分析方式建立相應的育種試驗模型，生成觀察試驗、初級鑒定試驗、高級鑒定試驗、產比試驗等單點或多點Excel 報表和Word 報告， 同時支持系統用戶在線預覽報表和報告。

5.庫存管理

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

三、數字化育種管理系統的應用

華智生物技術有限公司數字化育種管理系統已在多個項目中展示了自身風采，某種業科研基地總部科創基地數據中心項目、某煙草育種數據系統項目等都是作物數字化育種管理系統發揮重大作用的成功案例。

某種業科研基地總部科創基地數據中心項目以谷子、玉米繁育為基礎，圍繞谷子、玉米的育、繁、推、種、養、加等關鍵環節進行信息采集，綜合運用物聯網、互聯網、大數據、分子育種等關鍵技術；配置水肥一體化、智能數字化考種、無人機等關鍵育種設備；采用育種信息化管理系統、溯源系統等軟件系統構建一個智能繁育基地，示范引領農業大數據建設，以提升谷子、玉米繁育水平、生產經營和管理數字化水平。 數字化育種管理系統為谷子、玉米作物信息的種質資源管理、種質庫存管理、種質擴繁管理，品種選育種活動相關的雜交育種，實驗室科研相關的基因管理、測序序列管理，田間農事活動相關的性狀采集、農事記錄管理，生產試驗、區域試驗、預備試驗等品種測試管理提供支持。 系統通過云計算、大數據、人工智能、區塊鏈等先進信息技術，使生產經營者能更加便捷、靈活地掌握天氣變化數據及谷子、玉米生長數據等，以更加準確地判斷其生長需求；通過空間地理信息等技術，能提高大田糧食生產的監測、 預警水平和產量評估水平，增強農業生產對自然環境風險的應對能力；通過智能設施合理安排用工、用時、用地，提高谷子、玉米生產組織化水平和勞動生產效率，實現農業環境綜合治理，推動形成資源利用高效、生態系統穩定、產地環境良好、產品質量安全的農業發展新格局。

華智生物為園區企業提供的共享實驗室

某煙草育種數據系統項目通過設計各環節的功能模塊，進行煙草育種信息管理系統開發，實現煙草育種數據流的管理及分析。 項目以煙草育種和繁種為核心， 充分考慮煙草育種在種質資源管理、育種方法、育種流程、數據采集、數據分析等方面的專業性和獨特性，開發出一款界面友好、操作快捷、兼容性好、專業性強的煙草育種科研信息化產品，建立“煙草育種數據管理系統”，對煙草育種進行數據化管理，形成育種閉環，解決了信息壁壘問題，實現了育種流程化管理，依據統計分析、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， 該系統的建立為煙草智慧育種奠定了基礎。 依托平臺功能、小程序及便攜式設備，提高數據采集效率，及時完成數據采集工作，從而有效管理數據，出具匯總報告，提高工作效率。 該系統在使用過程中能夠同時管理煙草種質資源、分子育種、試驗管理、農業評價、工業評價、多組學數據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節，實現全流程信息化，幫助研發人員高效地采集、管理、分析和利用煙草育種研發涉及的各類數據，挖掘數據價值，提高育種效率。 該系統充分考慮信息的安全性和保密性，所有數據都采用加密傳輸， 并擁有一個強大的后臺管理模塊，可以實現數據和功能特點的精細化管理。 允許根據使用者實際工作需求和保密級別設置不同等級的用戶權限，以最大限度地保護商業育種的核心技術。

四、展望

育種管理系統的數字化融合減少了育種專家的工作量，促進了育種時代的進步，但目前我公司較為全面的育種管理系統為作物育種管理系統，此系統貫穿作物育種全過程， 從作物種質資源的儲存、種植、試驗、測試到新品種的出入庫全程進行統一管理。 華智生物技術有限公司將對當前的數字化管理系統進行更深層次的挖掘與優化， 加強系統與機械設備之間的連接， 促進自動化農機的使用，降低育種事業人力消耗；建立統一信息門戶，幫助各育種專家分享育種成果，互相學習、加強溝通，推動全國育種事業發展；簡化系統操作，幫助農戶便捷使用系統，擴大育種規模。

同時， 華智生物技術有限公司意識到育種事業不僅需要大力發展作物育種，在水產、畜牧等領域也需要不斷進行新物種的繁育，需進一步發揮前沿技術優勢，對水產、畜牧等領域建立適用于多物種的育種管理系統，促進各領域育種事業發展，提高各領域育種事業工作效率，為工作者提供技術支持。