中國種業(yè)正面臨，前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。隨著第四次工業(yè)革命的進(jìn)行，數(shù)字化時代即將來臨。數(shù)字計算機(jī)應(yīng)用，已經(jīng)輻射到種植行業(yè)。
能否完成數(shù)字化轉(zhuǎn)化工作，成為未來發(fā)展的重要影響因素。電子計算機(jī)和生物工程的發(fā)明和應(yīng)用，是人類文明第三次科技革命的主要標(biāo)志。
現(xiàn)代信息技術(shù)和生物技術(shù)，是構(gòu)建現(xiàn)代化作物育種平臺的根本方法。大數(shù)據(jù)是與材料和能源一樣，重要的新型戰(zhàn)略資源。信息化是育種的主流趨勢和必然選擇。
而信息化育種平臺較少，嚴(yán)重制約了中國現(xiàn)代種業(yè)的發(fā)展。在大數(shù)據(jù)背景下，推動作物育種由3.0時代的設(shè)計育種，轉(zhuǎn)變?yōu)?.0時代的信息化育種。這是農(nóng)業(yè)育種機(jī)構(gòu)，近期面臨的關(guān)鍵問題。
本文以促進(jìn)育種效率提升，解決信息化育種存在的主要問題，規(guī)劃出可行的信息化育種實施策略為研究重點。
一、信息化在育種中的應(yīng)用
1、種質(zhì)資源管理
種質(zhì)資源管理工作，對于作物育種來說是一項基礎(chǔ)性工作。傳統(tǒng)種質(zhì)資源管理耗費大量人力物力。信息數(shù)據(jù)收集緩慢。且資源庫信息傳遞，易受種質(zhì)管理人員流動的影響。
采用信息技術(shù)對種質(zhì)資源進(jìn)行管理，可以實現(xiàn)種質(zhì)資源快速查詢、高效利用。上海農(nóng)業(yè)生物基因中心建立的種質(zhì)資源庫管理信息系統(tǒng)，為農(nóng)作物準(zhǔn)入、品種權(quán)執(zhí)法提供技術(shù)支撐。
2、數(shù)據(jù)采集
育種親本性狀調(diào)查與比較、后代室內(nèi)考種，以及實驗室檢測等各個環(huán)節(jié)，都要大量采集數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的方法勞動強(qiáng)度大、時間長、操作要求高，易受主觀因素影響，限制育種規(guī)模化發(fā)展。
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式，在短時間內(nèi)很難準(zhǔn)確對試驗點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較。目前許多國家已開始將現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感技術(shù)、自動化技術(shù)，應(yīng)用到育種中。
并開發(fā)出一系列，適用于育種環(huán)節(jié)的智能檢測輔助儀器設(shè)備。依托信息化智能化產(chǎn)品設(shè)備，可以減少勞動強(qiáng)度、降低投入成本。
提高育種效率，加速育種進(jìn)程。同時數(shù)字圖像處理技術(shù)在病害診斷、子粒發(fā)芽監(jiān)測等方面，應(yīng)用日益廣泛。采用先進(jìn)的圖像掃描技術(shù)，可以準(zhǔn)確地獲得農(nóng)作物的形貌特征數(shù)據(jù)。
3、系譜分析
近年審定農(nóng)作物品種，普遍存在遺傳背景狹窄、遺傳多樣性不夠豐富的問題。多數(shù)品種親緣關(guān)系較近，在育種中迫切需要引入新的種質(zhì)資源，拓寬遺傳背景。
系譜圖記載了家族各世代成員及親屬關(guān)系，是指導(dǎo)雜交育種和親本選配的基礎(chǔ)信息。在傳統(tǒng)育種中，系譜圖通過手繪或普通電腦作圖軟件查詢繪制，繁瑣且費時費力。
利用信息化數(shù)據(jù)設(shè)計系譜圖繪制軟件，可快速輕松獲得系譜圖，為雜交育種和親本選配提供詳細(xì)資料。
4、試驗設(shè)計
常用的數(shù)理統(tǒng)計軟件如 DPS、SPSS、SAS 等，已具備試驗設(shè)計功能。Design Expert等專業(yè)試驗設(shè)計軟件，可通過兩級因子篩選設(shè)計、一般因子研究、混合物設(shè)計技術(shù)以及分割圖設(shè)計和分析等功能，幫助操作者提高試驗速率。
5、參試進(jìn)程管理
農(nóng)作物品種審定，需要經(jīng)過申請和受理、品種試驗、審定與公告等環(huán)節(jié)。其中品種試驗包括區(qū)域試驗、生產(chǎn)試驗和DUS測試3部分。
對于育種單位來說，品種參試步驟繁多，且涉及知識產(chǎn)權(quán)責(zé)任重大。所以進(jìn)程管理，變得十分重要。近年來隨著改革的深入，國家農(nóng)業(yè)部門拓寬了試驗渠道、簡化了試驗程序、縮短了試驗審定時間。
面對諸多的作物類型和大量涌現(xiàn)的新品系，迫切需要專業(yè)的信息化平臺，對品系參試進(jìn)程進(jìn)行記錄、審核、跟蹤管理。
二、信息化育種實施步驟和要點
1、育種軟件的應(yīng)用和軟件開發(fā)
國際種業(yè)巨頭紛紛采用現(xiàn)代信息技術(shù)開展智能育種，加快“經(jīng)驗育種”向“精確育種”的轉(zhuǎn)變。目前市場上的主流商業(yè)化育種軟件產(chǎn)品有10余種。
國內(nèi)僅有金種子育種平臺和農(nóng)博士兩款。托普云農(nóng)公司開發(fā)的種質(zhì)資源庫管理系統(tǒng)(TPZY-CV2.0)，主要用于作物種質(zhì)及中間材料等種質(zhì)資源的信息化管理。
作為育種機(jī)構(gòu)，目前可以先引進(jìn)一些有成功案例的育種軟件，或信息管理系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。例如農(nóng)博士育種家軟件V1.0、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及條碼打印機(jī)。
僅需16萬元左右就可以完成單個作物育種課題組的信息化育種管理。在今后可以根據(jù)實際需要，利用R語言等開源軟件，設(shè)計和開發(fā)有自主知識產(chǎn)權(quán)的育種軟件和數(shù)據(jù)平臺。
2、管理規(guī)范化與流程信息化相互促進(jìn)
無論是育種企業(yè)還是政府育種機(jī)構(gòu)，行政管理規(guī)范化都是促進(jìn)信息化的有效手段。例如在育種品系參試申報和植物新品種保護(hù)申報過程中，都需要加蓋單位公章。
在這個過程中，可以將信息化的工作落實到各育種課題，保證所有簽批事項中所涉及的信息均已錄入信息管理系統(tǒng)。從品種試驗信息管理，到種質(zhì)資源庫管理再到產(chǎn)業(yè)化跟蹤管理循序漸進(jìn)，實現(xiàn)作物育種全流程信息化。
3、信息化人才的引進(jìn)和培養(yǎng)
作物育種信息化的實施，需要有既懂作物育種又懂計算機(jī)科學(xué)的復(fù)合型人才。在對育種信息進(jìn)行采集和整理的過程中，能夠熟練使用育種軟件。
并且還需要實現(xiàn)各種自動化采集設(shè)備的數(shù)據(jù)對接。目前多數(shù)應(yīng)用型農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)，缺乏此類復(fù)合型人才。省級以上科研院所，擁有的生物信息學(xué)專業(yè)人才側(cè)重基礎(chǔ)研究，在品種選育方面缺乏足夠的經(jīng)驗。
因此應(yīng)在今后的人才培養(yǎng)過程中，重視原有育種人員的信息技術(shù)培養(yǎng)。使其在原有育種經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，能熟練掌握信息化技巧，推進(jìn)信息技術(shù)在作物育種中普及。
4、信息共享與交流
數(shù)據(jù)公開、軟件開源與數(shù)據(jù)共享，已經(jīng)成為了科技發(fā)展的重要潮流。為促進(jìn)作物育種創(chuàng)新，育種機(jī)構(gòu)應(yīng)該抓住中國種業(yè)大數(shù)據(jù)平臺等免費數(shù)據(jù)平臺的利好。
在品種推廣和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面掌握實際動態(tài)。在育種數(shù)據(jù)資源得到有效保護(hù)和安全管理的前提下，與其他育種機(jī)構(gòu)實施信息共享與互通。
隨著傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)業(yè)信息服務(wù)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化技術(shù)在育種中的作用日益明顯。通過構(gòu)建信息化種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫，摸清“家底”。
將親本選擇、材料組配、試驗管理、數(shù)據(jù)采集、遺傳分析、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等環(huán)節(jié)高效銜接。可以實現(xiàn)育種全程，數(shù)字化、一體化。與現(xiàn)有育種形式相比，可以節(jié)約資源、降低成本，是構(gòu)建現(xiàn)代化作物育種平臺的根本途徑。
能否完成數(shù)字化轉(zhuǎn)化工作，成為未來發(fā)展的重要影響因素。電子計算機(jī)和生物工程的發(fā)明和應(yīng)用，是人類文明第三次科技革命的主要標(biāo)志。
現(xiàn)代信息技術(shù)和生物技術(shù)，是構(gòu)建現(xiàn)代化作物育種平臺的根本方法。大數(shù)據(jù)是與材料和能源一樣，重要的新型戰(zhàn)略資源。信息化是育種的主流趨勢和必然選擇。
而信息化育種平臺較少，嚴(yán)重制約了中國現(xiàn)代種業(yè)的發(fā)展。在大數(shù)據(jù)背景下，推動作物育種由3.0時代的設(shè)計育種，轉(zhuǎn)變?yōu)?.0時代的信息化育種。這是農(nóng)業(yè)育種機(jī)構(gòu)，近期面臨的關(guān)鍵問題。
本文以促進(jìn)育種效率提升，解決信息化育種存在的主要問題，規(guī)劃出可行的信息化育種實施策略為研究重點。
一、信息化在育種中的應(yīng)用
1、種質(zhì)資源管理
種質(zhì)資源管理工作，對于作物育種來說是一項基礎(chǔ)性工作。傳統(tǒng)種質(zhì)資源管理耗費大量人力物力。信息數(shù)據(jù)收集緩慢。且資源庫信息傳遞，易受種質(zhì)管理人員流動的影響。
采用信息技術(shù)對種質(zhì)資源進(jìn)行管理，可以實現(xiàn)種質(zhì)資源快速查詢、高效利用。上海農(nóng)業(yè)生物基因中心建立的種質(zhì)資源庫管理信息系統(tǒng)，為農(nóng)作物準(zhǔn)入、品種權(quán)執(zhí)法提供技術(shù)支撐。
2、數(shù)據(jù)采集
育種親本性狀調(diào)查與比較、后代室內(nèi)考種，以及實驗室檢測等各個環(huán)節(jié)，都要大量采集數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的方法勞動強(qiáng)度大、時間長、操作要求高，易受主觀因素影響，限制育種規(guī)模化發(fā)展。
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式，在短時間內(nèi)很難準(zhǔn)確對試驗點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較。目前許多國家已開始將現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感技術(shù)、自動化技術(shù)，應(yīng)用到育種中。
并開發(fā)出一系列，適用于育種環(huán)節(jié)的智能檢測輔助儀器設(shè)備。依托信息化智能化產(chǎn)品設(shè)備，可以減少勞動強(qiáng)度、降低投入成本。
提高育種效率，加速育種進(jìn)程。同時數(shù)字圖像處理技術(shù)在病害診斷、子粒發(fā)芽監(jiān)測等方面，應(yīng)用日益廣泛。采用先進(jìn)的圖像掃描技術(shù)，可以準(zhǔn)確地獲得農(nóng)作物的形貌特征數(shù)據(jù)。
3、系譜分析
近年審定農(nóng)作物品種，普遍存在遺傳背景狹窄、遺傳多樣性不夠豐富的問題。多數(shù)品種親緣關(guān)系較近，在育種中迫切需要引入新的種質(zhì)資源，拓寬遺傳背景。
系譜圖記載了家族各世代成員及親屬關(guān)系，是指導(dǎo)雜交育種和親本選配的基礎(chǔ)信息。在傳統(tǒng)育種中，系譜圖通過手繪或普通電腦作圖軟件查詢繪制，繁瑣且費時費力。
利用信息化數(shù)據(jù)設(shè)計系譜圖繪制軟件，可快速輕松獲得系譜圖，為雜交育種和親本選配提供詳細(xì)資料。
4、試驗設(shè)計
常用的數(shù)理統(tǒng)計軟件如 DPS、SPSS、SAS 等，已具備試驗設(shè)計功能。Design Expert等專業(yè)試驗設(shè)計軟件，可通過兩級因子篩選設(shè)計、一般因子研究、混合物設(shè)計技術(shù)以及分割圖設(shè)計和分析等功能，幫助操作者提高試驗速率。
5、參試進(jìn)程管理
農(nóng)作物品種審定，需要經(jīng)過申請和受理、品種試驗、審定與公告等環(huán)節(jié)。其中品種試驗包括區(qū)域試驗、生產(chǎn)試驗和DUS測試3部分。
對于育種單位來說，品種參試步驟繁多，且涉及知識產(chǎn)權(quán)責(zé)任重大。所以進(jìn)程管理，變得十分重要。近年來隨著改革的深入，國家農(nóng)業(yè)部門拓寬了試驗渠道、簡化了試驗程序、縮短了試驗審定時間。
面對諸多的作物類型和大量涌現(xiàn)的新品系，迫切需要專業(yè)的信息化平臺，對品系參試進(jìn)程進(jìn)行記錄、審核、跟蹤管理。
二、信息化育種實施步驟和要點
1、育種軟件的應(yīng)用和軟件開發(fā)
國際種業(yè)巨頭紛紛采用現(xiàn)代信息技術(shù)開展智能育種，加快“經(jīng)驗育種”向“精確育種”的轉(zhuǎn)變。目前市場上的主流商業(yè)化育種軟件產(chǎn)品有10余種。
國內(nèi)僅有金種子育種平臺和農(nóng)博士兩款。托普云農(nóng)公司開發(fā)的種質(zhì)資源庫管理系統(tǒng)(TPZY-CV2.0)，主要用于作物種質(zhì)及中間材料等種質(zhì)資源的信息化管理。
作為育種機(jī)構(gòu)，目前可以先引進(jìn)一些有成功案例的育種軟件，或信息管理系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。例如農(nóng)博士育種家軟件V1.0、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及條碼打印機(jī)。
僅需16萬元左右就可以完成單個作物育種課題組的信息化育種管理。在今后可以根據(jù)實際需要，利用R語言等開源軟件，設(shè)計和開發(fā)有自主知識產(chǎn)權(quán)的育種軟件和數(shù)據(jù)平臺。
2、管理規(guī)范化與流程信息化相互促進(jìn)
無論是育種企業(yè)還是政府育種機(jī)構(gòu)，行政管理規(guī)范化都是促進(jìn)信息化的有效手段。例如在育種品系參試申報和植物新品種保護(hù)申報過程中，都需要加蓋單位公章。
在這個過程中，可以將信息化的工作落實到各育種課題，保證所有簽批事項中所涉及的信息均已錄入信息管理系統(tǒng)。從品種試驗信息管理，到種質(zhì)資源庫管理再到產(chǎn)業(yè)化跟蹤管理循序漸進(jìn)，實現(xiàn)作物育種全流程信息化。
3、信息化人才的引進(jìn)和培養(yǎng)
作物育種信息化的實施，需要有既懂作物育種又懂計算機(jī)科學(xué)的復(fù)合型人才。在對育種信息進(jìn)行采集和整理的過程中，能夠熟練使用育種軟件。
并且還需要實現(xiàn)各種自動化采集設(shè)備的數(shù)據(jù)對接。目前多數(shù)應(yīng)用型農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)，缺乏此類復(fù)合型人才。省級以上科研院所，擁有的生物信息學(xué)專業(yè)人才側(cè)重基礎(chǔ)研究，在品種選育方面缺乏足夠的經(jīng)驗。
因此應(yīng)在今后的人才培養(yǎng)過程中，重視原有育種人員的信息技術(shù)培養(yǎng)。使其在原有育種經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，能熟練掌握信息化技巧，推進(jìn)信息技術(shù)在作物育種中普及。
4、信息共享與交流
數(shù)據(jù)公開、軟件開源與數(shù)據(jù)共享，已經(jīng)成為了科技發(fā)展的重要潮流。為促進(jìn)作物育種創(chuàng)新，育種機(jī)構(gòu)應(yīng)該抓住中國種業(yè)大數(shù)據(jù)平臺等免費數(shù)據(jù)平臺的利好。
在品種推廣和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面掌握實際動態(tài)。在育種數(shù)據(jù)資源得到有效保護(hù)和安全管理的前提下，與其他育種機(jī)構(gòu)實施信息共享與互通。
隨著傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)業(yè)信息服務(wù)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化技術(shù)在育種中的作用日益明顯。通過構(gòu)建信息化種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫，摸清“家底”。
將親本選擇、材料組配、試驗管理、數(shù)據(jù)采集、遺傳分析、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等環(huán)節(jié)高效銜接。可以實現(xiàn)育種全程，數(shù)字化、一體化。與現(xiàn)有育種形式相比，可以節(jié)約資源、降低成本，是構(gòu)建現(xiàn)代化作物育種平臺的根本途徑。
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