大数据背景下的信息化育种

0 引言

中国种业正面临前所未有的机遇与挑战。2019年中央“一号文件”指出，要“毫不放松抓好粮食生产”、“加快突破农业关键核心技术”、“推动智慧农业领域自主创新”。电子计算机和生物工程的发明和应用是人类文明第三次科技革命的2 个主要标志，现代信息技术和生物技术成为推动农业发展的新型主导力量[1]，也共同拉开了作物育种4.0 时代的序幕[2]。大数据是与材料和能源一样重要的新型战略资源。现代急剧膨胀的农业数据和大数据技术的发展为精准农业的发展提供了一种新的方法。

跨国种子公司均重资构建了商业化育种软件的育种管理体系，为海量育种数据的高效分析和充分利用提供了技术保障。中国育种机构众多，但信息化育种平台较少，严重制约了中国现代种业的发展。

“2017 年四大作物良种重大科研联合攻关现场会”上，中国种业大数据平台正式上线[3]。在大数据背景下，推动作物育种由3.0 时代的设计育种转变为4.0时代的信息化育种，是农业育种机构近期面临的关键问题。为促进育种效率提升，解决信息化育种存在的主要问题，规划出可行的信息化育种实施策略，是本文的研究重点。

1 信息化在育种中的应用

1.1 种质资源管理

种质资源管理工作对于作物育种来说是一项基础性工作。传统种质资源管理环节多、流程长、所涉及的相关信息量大，且资源库信息传递易受种质管理人员流动的影响。采用信息技术对种质资源进行管理，可以实现种质资源快速查询、高效利用。上海市农业生物基因中心[4]建立的种质资源库管理信息系统，包含库位管理、种子信息管理、种子进出库管理、种子预警、统计汇总、用户管理、反馈管理等7 个主要的功能模块，为农作物准入、品种权执法提供技术支撑。

1.2 数据采集

育种亲本性状调查与比较、后代室内考种以及实验室检测等各个环节都要大量采集数据[5]。传统数据获取的方法劳动强度大、时间长、操作要求高，易受主观因素影响，限制育种规模化发展。根据现行的《主要农作物品种审定办法》，品种试验组织实施单位应当在60日内将各试验点数据、汇总结果提交品种审定委员会办公室。传统的数据采集方式在短时间内很难准确对试验点数据进行分析和比较。目前，许多国家已开始将现代信息技术、传感技术、自动化技术应用到育种中，并开发出一系列适用于育种环节的智能检测辅助仪器设备[6-7]。依托更多信息化智能化产品设备可以减少劳动强度、降低投入成本、提高育种效率、加速育种进程。

数字图像处理技术在病害诊断、品种分类、子粒发芽监测等方面的应用日益广泛。采用先进的图像扫描技术可以准确地获得农作物的形貌特征数据。柳冠伊等[8]以线阵扫描方式获取玉米果穗表面圆周图像信息，利用图像处理技术从中提取相关性状参数，穗粒数和穗行数的计数准确率分别为94.6%和99.1%，可实现玉米果穗性状自动检测。彭飞等[9]提出了一种基于三维激光扫描的大麦籽粒建模及其力学特性研究方法，基于三维激光扫描技术获取了大麦籽粒点云数据并建模，能有效、准确地得到与真实大麦籽粒形态高度相近的几何模型。

1.3 系谱分析

近年审定农作物品种普遍存在遗传背景狭窄、遗传多样性不够丰富的问题[10-11]。多数品种亲缘关系较近，在育种中迫切需要引入新的种质资源，拓宽遗传背景。系谱图记载了家族各世代成员及亲属关系，是指导杂交育种和亲本选配的基础信息。在传统育种中，系谱图通过手绘或普通电脑作图软件查询绘制，繁琐且费时费力。利用信息化数据设计系谱图绘制软件，可快速轻松获得个体系谱图，为有计划地进行亲本选配提供详细资料。系谱相关软件在畜牧领域应用较早[12-13]，在农业领域的应用也逐渐增多。例如，农博士[14]软件收录了5767 个通过审定的水稻品种数据、1963—2016年间的小麦品种数据、1949—2016年间的玉米品种数据，对三大作物系谱进行了整理研究，给出强大的系谱分析功能和结果。

1.4 试验设计

常用的数理统计软件如DPS、SPSS、SAS 等已具备试验设计功能[15-16]。Design Expert 等专业试验设计软件可通过两级因子筛选设计、一般因子研究、混合物设计技术以及分割图设计和分析等功能帮助使用者快速统计实验数据，大幅度缩短试验的数据搜集时间，加快试验进度、提升试验效率。

文章来源：《科学与信息化》 网址: http://www.kxyxxhzz.cn/qikandaodu/2021/0519/1619.html