数字化玉米育种思路.doc
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1、精品论文数字化玉米育种思路滕海涛北京市农林科学院玉米研究中心(100097)E-mail: 摘要:数字化育种是综合利用现代计算机和网络技术辅助于现代植物育种的一种标准化的 动态系统工程。通过对广泛的动态育种数据的标准化管理和分析,对育种材料进行自动判定, 对材料关系进行遗传距离、类群分析和杂种优势预先判定、按照育种者需要给出适当推荐结 果,极大地提高育种效率。任何与玉米育种有关的环境因素、生物学和遗传学等多个科学领 域的研究进展、育种者的不断积累的经验以及田间试验等数据都应该充分考虑到并整合到数 字化育种系统中。数字化育种对于整合育种行业资源、提高育种效率将起到积极的作用。 关键词:数字化育种
2、;玉米;杂种优势;遗传破译范弘伟等(2003年)曾经就玉米育种的管理系统进行过研究,开发了具有育种数据采集、 育种数据查询和统计分析功能的基本育种系统。薛建兵等(2004)提出了数码育种的概念, 并且以番茄为例对品种性状编码识别辅助于育种材料登记。但是目前的作物性状表现多种多 样,仅仅通过外观性状的编码研究育种略显淡薄。众所周知育种开发过程是非常复杂的,需 要充分考虑复杂的遗传基础、环境条件、育种家学识和选育技巧、社会环境等复杂的系统过 程。单靠个人的简单经验和学识水平来从事育种工作,需要经过常年累月的经验积累过程, 并且取得成功者凤毛麟角,并且育种尚处于一种对于育种规律模糊认识的阶段。现代计
3、算机 技术和网络技术的发展和玉米科研的持续发展,为数据存储、处理和智能推理奠定了基础, 为育种者提供及时强大的信息技术支持工具手段。数字化、信息化育种是超级玉米实现的必 须装备的技术条件。根据现代玉米的育种目标和育种理论的发展,需要更全面、动态分析各 种不同玉米品种及资源。实现优势表现最大化的目标需要极其庞大的数据分析和挖掘能力辅 助于玉米育种。绝大多数育种机构长期的育种已经积累了及其庞大的育种基础数据,这些数 据的网络化数据交流和挖掘将极大促进育种过程,目前玉米各个层面的科研结果也极其庞 大,充分利用这些研究数据和结论构建智能库辅助于玉米育种也是具有重要意义。笔者尝试 就利用这些基础条件辅助
4、于植物育种工作称之为数字化育种。并就如何开展数字化育种核心 内容展开讨论。本文以玉米为例进行阐述,期望抛砖引玉,共同推进数字化育种的发展。1. 数字化育种的定义数字化植物育种就是采用现代化的计算机和网络技术,对于植物育种当中的基础数据采 集、数据存贮、数据管理、数据分析和数据智能化推理等进行动态系统集成,最大限度提高 育种效率的数字化管理方式。数字化育种是一个动态的概念,对于基础数据、专家系统等等 都应高具有可扩展性,以便不断容纳更新的数据。通过数据联网,各个单位组培组合的效应 可以方便查询,避免不必要的无效劳动,提高育种效率。根据育种者的育种目标,专家系统 可以在现有的材料范围内筛选出最合适
5、的组合模式范围,极大地提高育种者的准确性。根据 试验数据的不断输入和调整,专家系统可以不断对系统进行修正,逐渐逼近最佳效果。要涉 及到诸如统计分析、数据库建立、遗传评估、计算机模拟、图像分析、信息网络和智能系统 等内容。- 5 -2. 数字化信息采集为了进行数字化育种工作,首先要建立规模庞大的、标准化的、可用于信息交换的基 础数据库。简单总结如下。2.1 企业代码数据库不同育种单位之间进行数据交换和整合,需要对相关单位进行编码,实行数码和指纹认 证,确保信息不会被无端泄露。主要方便于企业间的数据共享交流。2.2 种质资源、育种材料、杂交种、自交系材料(如玉米)的基础数据采集所有的种质材料代码要
6、进行动态编码,是编码方式根据掌握的遗传资源而定,但是一定 要统一,同时为将来的不断增加的数据备足充分的空间,条形码技术必将应用于育种材料的 编码。编码之前要对所有材料的遗传一致性和真实性进行评估和确认,为将来的数据分析打 下坚实的基础。首先是外观性状数据的采集,可以参考区域试验、植物新品种保护的对于品 种描述的采集方法,特别是植物新品种保护 DUS 测试中对于性状数据的分级数码化管理更 为可取,大家可以参考相应的植物新品种 DUS 测试指南或者相应国家标准。然后是分子指 纹数据的采取,通过筛选核心引物,制定标准化的 PCR 程序,选用适当的分子技术手段如 SSR,对于相应的品种进行分子指纹图谱
7、的建设,包括数编码等(赵久然,王凤格等)。如 果相应植物的分子标记的扫描精度进一步提高,可以通过建立分子指纹连锁图谱,对于某些 特定性状进行标记和定位。建立性状数据库和指纹数据库,通过品种编码,分别联系两个数 据库。性状数据库要具有可扩充性,以便不断添加或者修正已经具有的性状代码,丰富细化 品种材料的描述,帮助育种者更全面了解材料。各育种单位可以按照资源共享的方式将各种 育种标准原始材料以及杂交种的编码数据进行联网, 建立联合育种材料数据库, 便于育种者 查寻。需要注意的是材料的编码要形成正式的标准化的文件,各个单位都要按照同一个格式 进行。这也将方便于今后的种质资源的信息交流,以及与其他种质
8、资源库的对接。2.3 种质资源图像数据库保证对所有的材料进行标准化的管理,对采集数据识别进行图像智能识别,自动对材料 进行编码。种质资源的数码录入方式应该采用统一的标准。数据采集的手段可以充分利用数 据记录仪和人工相结合的办法,大批量地快速实现数据的录入。对于某些性状也可以采用数 码照片进行登记采集,按照性状的类型进行图像数据的编码。2.4 种质资源管理数据库材料存放方式,存放位置,存放数量,存放时间,取种时间,保存年限等等数据都可以 实行数据编码和计算机的统一管理,这也是数字化育种的一个基础的管理手段。2.5 育种系谱数据库对于自交系的选育过程,可以利用计算机对系谱进行归档和分析。由于系谱的
9、产生不同 单位具有保密的需要,可以在数字化育种中作为相对独立和需要授权方能查询的系统部分。2.6 种品比数据库的建立品比数据库的建立主要是对品种的性状表现,进行有序的实验设计,对其性状表现进行 综合分析和判定。试验土地的资源、气候、肥力管理、光照条件记录、降水灌溉、等管理手 段可以作为品种品比数据参考的辅助信息系统,对于这些数据的采集也要实现标准化。考种 数据也是品比数据库的组成部分。2.7 区域试验数据库和生产数据库区域试验对于各种参试的品种统一进行了比较试验,并且具有规范的数据处理办法,这 些数据都除了用于品种审定之外,也可以作为育种者的育种参考数据,目前的品种区域试验 数据尚无形成可方便
10、查询的数据库系统,这是将来必然要补足的工作。2.8 分子指纹图谱数据库目前本单位已经建立了玉米品种和自交系的基于 SSR 技术的 DNA 指纹图谱数据库,可 以对品种区域试验、植物新品种保护、自交系等稳定品种或者材料进行指纹代码的编制和查 询工作。2.9 基因组基因代码数据库和标记、探针、序列数据库目前国际上已经具有相当规模的相应数据库共享内容。3. 专家知识智能推理系统对于基础数据的信息识别、数据挖掘、智能利用需要依赖于功能强大的专家系统。专家 系统的主要建立的理论基础是遗传学、分子遗传学、分子生物学、杂种优势和遗传类群原理、 生物统计学、计算机和网络技术、育种栽培学原理、气象学、土壤学、经
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