数字化育种管理系统对推进育种4.0的效应研究

文丨余众龙 晓波

近年来，全球种业发展进入空前密集创新和产业变革时期， 生物育种正迎来以全基因组选择、基因编辑、合成生物学等新型生物技术与图像识别、 机器学习等信息技术融合的育种4.0 时代。 世界种业发展经历了4 个阶段：1.0 时代是农家育种；2.0 时代是杂交育种；3.0 时代是分子育种，包括分子标记、转基因育种等；4.0 时代是“生物技术+大数据技术+人工智能+智能装备”育种。育种4.0 阶段是伴随人类社会步入互联网、大数据、人工智能育种“三位一体”的时代提出的革命性育种理念，强调生命科学、信息科学与育种科学的深度融合，是新时代背景下实现育种“按需定制”及满足“大食物观”战略需求的有力支撑和必要途径。

华智生物国家水稻分子育种中心

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2015年，农业部、国家发展改革委、科技部发布了《全国农作物种质资源保护与利用中长期发展规划（2015—2030年）》，文中明确我国保存农作物种质资源48 万余份， 其中国家长期保存350 多种农作物的种质资源44 万份，位居世界第二位。

一、基本情况

2015年，农业部、国家发展改革委、科技部发布了《全国农作物种质资源保护与利用中长期发展规划（2015—2030年）》，文中明确我国保存农作物种质资源48 万余份， 其中国家长期保存350 多种农作物的种质资源44 万份，位居世界第二位。国家初步建立了表型与基因型相结合的种质资源鉴定评价体系，开展了种质资源创新研究，并且构建了种质资源展示和共享平台。华智生物技术有限公司为融合国家整体发展趋势， 破解当时存在的问题，在最为了解的水稻上开始尝试结合大数据技术进行高通量SNP 检测， 一次最多反应20 万个数据点，这一尝试走在了大数据技术应用前列，也为华智生物技术有限公司建立便捷、全面、智能的种质资源管理系统打下了坚实的基础。经多年发展并进一步融合利用大数据、 物联网和人工智能技术，目前形成了较完整的作物育种管理系统。该系统对多种农作物种质资源信息进行采集和整理分析，并对育种各流程、信息、操作进行统一管理，从而提高育种效率、检测育种过程、实时管理育种材料。该系统的实用功能数量目前已达到463 项， 陆续与37 家企业达成合作，并支持不同需求、不同客户、不同应用场景定制不同的版本供用户选择。

二、数字化育种管理系统的意义及功能

华智生物技术有限公司积极响应国家对4.0育种时代的推进要求，建立数字化育种管理系统帮助育种家减轻育种负担，并推进数字技术和人工智能与育种相结合， 助力育种时代实现阶段性跨越。数字化育种管理系统是通过将行业数据、 育种数据、表型数据、影像数据、环境气象数据、基因数据等进行分析管理，对种质资源、种质库存、育种试验、品种测试、基因分析通过移动端或PC 端进行展示的平台系统。数字化育种管理系统的功能贯穿整个育种过程，为科研院所及育种相关企事业单位或个人提供服务， 旨在为育种事业提供便利和技术支持。

华智生物技术有限公司数字化育种管理系统用于种质资源育种信息管理、扩繁信息管理、观察试验管理、产比试验管理、生产试验管理等。 系统可以综合管理种质育种、扩繁项目设计、种植规划、杂交、回交、田间调查、观察测配、收种、新后代自留等信息，还可以对观察试验、 产比试验、 生产试验中的试验设计、种植规划、田间调查等信息进行管理，并以此为依据对种质育种进行系谱溯源、杂交推荐、育种数据与试验数据统计分析等管理分析操作。

1.育种材料管理

育种材料管理模块可以通过种质管理中的近似品种比对或根据性状查询种质资源信息， 也可以根据基因信息比对获取材料。 同时，对于上一季材料进行一键导入， 并支持从种质管理中选择种质以及从育种管理中的自留材料中选择种质，以减少工作量，提高工作效率。

2.育种种植规划

系统对种植进行规划时会按照育种流程的不同环节， 将不同育种目的的材料分别种到对应的资源圃、分离圃、高世代选育圃、杂交圃等育种圃中。 在种植过程中，育种专家会将他们收集的育种材料分别放在不同的塑料袋中， 根据系统规划的种质计划分发至各基地， 基地根据每个育种专家的材料进行连续排列， 形成种植排布图并生成田间编码记录于系统中， 出苗期可以批量打印田间编码进行贴牌，用于标记不同的材料。

3.性状、杂交配对信息管理

田间操作人员可以通过手机端或者无人机智能识别采集种质材料育种过程中任意时期的特定性状和图片， 通过对性状图片进行采集或者工作人员对性状的录入或导入统一保存管理到系统中， 同时会对材料之间的杂交配对信息进行维护与管理， 并快速进行配对规划，其中杂交配对信息包含父本信息、母本信息、父本田间编码、母本田间编码等。系统在维护与管理杂交配对的实施操作信息时可以通过电脑端与手机端进行杂交实时数据、实施的株系号、去雄时间、授粉时间及实施员身份信息等的记录。

4.育种材料、试验管理

系统通过连接育种材料专有库对育种材料进行管理，在系统连接管理的育种材料专有库中可以随时查询材料标号、材料名称、世代、父母本株号、父母本编码等种质材料的信息。系统同时对观察试验、产比试验中试验设计、种植规划、田间调查等信息进行综合管理，并以此为依据对种质育种进行系谱溯源、杂交推荐、育种数据与试验数据统计分析等管理分析操作。系统可以采用间比法和随机区组法等分析方式建立相应的育种试验模型，生成观察试验、初级鉴定试验、高级鉴定试验、产比试验等单点或多点Excel 报表和Word 报告， 同时支持系统用户在线预览报表和报告。

5.库存管理

系统搭配智能化种质资源库智能分放各类种质资源， 在库中支持一材料一仓位和多材料一仓位，通过与计算机连接，精确展示各仓库储存的种质资源的种类和数量。 对于不同库位，管理者有权限对其进行特殊命名并对其管理的各类种质资源信息进行查询。 在有种质资源出入库时，用户需要在系统中进行出入库申请，同时管理员会针对各出入库申请进行审核，审核通过后即可进行出入库操作。 入库时用户提交种子入库申请表，选择需要入库的种质列表、种质名称、种质编码、仓库名称、申请数量、计量单位、含水量、芽势、芽率等信息。出库时用户提交种子出库申请表，包括种质名称、种质编码、申请数量、计量单位、用种目的、出库仓库、出库仓位等信息。管理员审核通过后即可对种质资源进行出入库操作。

三、数字化育种管理系统的应用

华智生物技术有限公司数字化育种管理系统已在多个项目中展示了自身风采，某种业科研基地总部科创基地数据中心项目、某烟草育种数据系统项目等都是作物数字化育种管理系统发挥重大作用的成功案例。

某种业科研基地总部科创基地数据中心项目以谷子、玉米繁育为基础，围绕谷子、玉米的育、繁、推、种、养、加等关键环节进行信息采集，综合运用物联网、互联网、大数据、分子育种等关键技术；配置水肥一体化、智能数字化考种、无人机等关键育种设备；采用育种信息化管理系统、溯源系统等软件系统构建一个智能繁育基地，示范引领农业大数据建设，以提升谷子、玉米繁育水平、生产经营和管理数字化水平。 数字化育种管理系统为谷子、玉米作物信息的种质资源管理、种质库存管理、种质扩繁管理，品种选育种活动相关的杂交育种，实验室科研相关的基因管理、测序序列管理，田间农事活动相关的性状采集、农事记录管理，生产试验、区域试验、预备试验等品种测试管理提供支持。 系统通过云计算、大数据、人工智能、区块链等先进信息技术，使生产经营者能更加便捷、灵活地掌握天气变化数据及谷子、玉米生长数据等，以更加准确地判断其生长需求；通过空间地理信息等技术，能提高大田粮食生产的监测、 预警水平和产量评估水平，增强农业生产对自然环境风险的应对能力；通过智能设施合理安排用工、用时、用地，提高谷子、玉米生产组织化水平和劳动生产效率，实现农业环境综合治理，推动形成资源利用高效、生态系统稳定、产地环境良好、产品质量安全的农业发展新格局。

华智生物为园区企业提供的共享实验室

某烟草育种数据系统项目通过设计各环节的功能模块，进行烟草育种信息管理系统开发，实现烟草育种数据流的管理及分析。 项目以烟草育种和繁种为核心， 充分考虑烟草育种在种质资源管理、育种方法、育种流程、数据采集、数据分析等方面的专业性和独特性，开发出一款界面友好、操作快捷、兼容性好、专业性强的烟草育种科研信息化产品，建立“烟草育种数据管理系统”，对烟草育种进行数据化管理，形成育种闭环，解决了信息壁垒问题，实现了育种流程化管理，依据统计分析、性状检索、品种比对等方式，为育种杂交配组提供材料选择依据， 该系统的建立为烟草智慧育种奠定了基础。 依托平台功能、小程序及便携式设备，提高数据采集效率，及时完成数据采集工作，从而有效管理数据，出具汇总报告，提高工作效率。 该系统在使用过程中能够同时管理烟草种质资源、分子育种、试验管理、农业评价、工业评价、多组学数据分析等烟草育种的全过程。 用户可以利用该平台管理育种各个环节，实现全流程信息化，帮助研发人员高效地采集、管理、分析和利用烟草育种研发涉及的各类数据，挖掘数据价值，提高育种效率。 该系统充分考虑信息的安全性和保密性，所有数据都采用加密传输， 并拥有一个强大的后台管理模块，可以实现数据和功能特点的精细化管理。 允许根据使用者实际工作需求和保密级别设置不同等级的用户权限，以最大限度地保护商业育种的核心技术。

四、展望

育种管理系统的数字化融合减少了育种专家的工作量，促进了育种时代的进步，但目前我公司较为全面的育种管理系统为作物育种管理系统，此系统贯穿作物育种全过程， 从作物种质资源的储存、种植、试验、测试到新品种的出入库全程进行统一管理。 华智生物技术有限公司将对当前的数字化管理系统进行更深层次的挖掘与优化， 加强系统与机械设备之间的连接， 促进自动化农机的使用，降低育种事业人力消耗；建立统一信息门户，帮助各育种专家分享育种成果，互相学习、加强沟通，推动全国育种事业发展；简化系统操作，帮助农户便捷使用系统，扩大育种规模。

同时， 华智生物技术有限公司意识到育种事业不仅需要大力发展作物育种，在水产、畜牧等领域也需要不断进行新物种的繁育，需进一步发挥前沿技术优势，对水产、畜牧等领域建立适用于多物种的育种管理系统，促进各领域育种事业发展，提高各领域育种事业工作效率，为工作者提供技术支持。