小麦数字化育种系统的开发与实现

侯亮，王新栋，齐浩，孙海芳，谢华峰，吕亮杰*

（1.河北省农林科学院农业信息与经济研究所，河北 石家庄 050051；2.河北省农林科学院粮油作物研究所，河北 石家庄050035；3.河北省种子总站，河北 石家庄 050000）

现代育种技术体系庞大、复杂，需要多个学科协作和多种技术支撑。当前的育种过程主要是依据育种经验，多采用人工记录和评价的方式[1～3]，人力和时间成本较高；育种数据整合程度低、数据标准不一，极大地限制了数据价值的挖掘和育种效率的提高，迫切需要对作物育种进行数字化管理。数字化是一门依托网络、数据库和人工智能技术，对研究对象加以规范、描述，便于研究人员进行精确管理、评估和决策的科学。数字化育种主要包括数据采集、数据分类与标准化、数据存储与管理、杂交组合与后代选择、试验设计、系谱分析、育种决策、种质资源管理等方面。当前我国面积单一作物的软件平台建设还处于打造样板阶段[4]，急需能够处理大量育种资源信息，提供数据管理、共享的数据平台[5]。以小麦为研究对象，运用结构化的方法[6～8]，开发了小麦数字化育种系统，实现了小麦育种流程的数字化，为育种家提供了一个高效的信息管理平台，可以促进种质资源的高效利用，提高育种的目标性、时效性、准确性和效率。

1 需求分析

需求分析是软件系统开发的第一步，目的是将用户需求进行分析与整理，分解并逐层细化复杂的问题，形成描述完整、清晰、标准的文档，确定系统需要实现的功能。针对小麦育种的特点，系统需满足以下需求。

1.1 功能性需求

（1） 实现小麦育种流程的数字化，包括材料管理、育种管理、试验管理等模块。

（2）实现数据导入、修改、删除、查询、分析、导出等功能。

（3）支持数据的自定义查询。用户定义查询数据范围、数据类型，联合设置多重条件，有助于数据的精准定位。

（4）查询结果以表格、文本等形式展现，用户在查询结果中自主选择数据项，生成定制化的数据表格。

（5）系统具有完善的用户权限管理和系统管理功能，超级管理员、一级管理员定义各级角色并为角色分配权限，用户仅允许在相应权限下访问系统资源；超级管理员可以调用系统日志，监控运行系统状态，保证数据安全。

1.2 非功能性需求

1.2.1 系统运行环境需求 系统采用B/S 架构，服务器端采用Windows Server 2008 或linux 操作系统，浏览器端采用Windows7 及以上操作系统。服务器CPU需达到双核4.0 GHz 或以上，内存容量16 G 或以上，硬盘空间1 T 或以上。浏览器采用Internet Explorer8.0 及以上版本，支持主流浏览器。

1.2.2 系统性能需求 小麦育种是一个庞大的系统工程，涉及数据项众多，数据量巨大；小麦具有固有的生育规律，同一性状在生育期各阶段具有不同的表现[9-11]，各阶段的数据处理具有很强的时效性[12-14]，以上特点决定了育种数据具有大规模、高并发的特征，要求数据库的数据装载速度须远大于数据进入速度，满足每分钟10 条以上育种数据的流量。小麦育种流程与其生理特性严密契合，具有很强的时序性，要求查询结果和图表生成累计时间小于8 秒，便于与后续育种环节的紧密衔接。系统满足7×24 h 的不间断运行，运行稳定、高效。数字化育种系统是一个开放的工程，需随时纳入新的育种模式，要求系统具有较高的兼容性、可扩展性，便于后续功能模块的接入。

1.3 设计约束

系统采用Java8，Microsoft.NET Framework 4.0 进行开发，数据库采用SQL Server 2019。网络传输遵循TCP/IP 协议，系统设计及实现时不允许使用动态端口。系统提供备份管理策略，支持系统和数据库全备份管理、数据库增量备份管理。

2 系统设计

2.1 系统架构

数字化育种系统的业务环节繁多，逻辑关系复杂，为避免出现代码纠缠和模块间依赖，须采用分层架构，有效隔离不同的关注点（Concern Point），主要作用有：将复杂的业务和技术分离，提高育种流程的逻辑性；简化系统设计，使开发人员的分工更加明确；提高程序模块复用率，缩短系统开发周期；当数据流量增加时，可以针对某一层进行横向扩展，降低系统整体扩展的成本。

系统采用4 层架构的设计，从底层至项层依次为基础层、数据层、业务逻辑层和表示层（图1）。基础层为系统运行提供软硬件支持；数据层是数据库的主要控制部分，为数据导入、导出、查询、修改、删除、存储等提供支撑；业务逻辑层对指令进行逻辑判断并执行，挖掘数据的深层价值[15，16]，并实现表示层与数据层之间的数据调用和指令传达；表示层与用户直接交互，提交用户指令并反馈，保证用户体验。

图1 系统架构Fig.1 System architecture

2.2 功能模块设计

2.2.1 系统登录模块 用户登录之前需进行注册，注册成功后通过用户名和密码登录系统，登录成功后进入主界面，若登录失败可根据系统提示尝试重新登录。

2.2.2 基础数据管理模块 用于定义小麦育种过程中的各类基础规则，建立标准、规范的数据管理体系[17，18]，包括性状管理、地点及地块管理、编号规则管理、系谱规则管理等；限定数据最大值和最小值、数据精度、分级量化标准等。数字化育种流程遵循此模块设定的所有约束条件。

2.2.3 数据管理模块 初始的育种材料进入此模块并进行初选，评价各世代的性状表现，决定保留或淘汰，并进入材料管理模块。

2.2.4 材料管理模块 此模块调用材料的属性数据，实现对数据的自定义查询、添加、删除、分组等功能，支持用户设置联合查询条件，实现对材料性状的跨分组查询。

2.2.5 育种管理模块 接受材料管理模块的数据，配置育种组合，生成育种清单、组合详情、组合列表；定义清单的执行状态、育种模式、育种材料数量等数据项，自动生成组合编号。

2.2.6 试验管理模块 基于育种管理模块的材料，设计试验方案，实现材料数量、小区数量、生态区、试验分组等信息的自定义查询，生成试验列表，筛选出目标品系。

2.2.7 系统管理模块 包括用户组管理、试验组管理、账号管理等子模块，完成角色、权限的定义和分配；具有系统日志维护、数据备份等功能。

3 数据库设计

3.1 数据库结构设计

系统采用SQL Server 2019 作为数据库平台，设计了育种数据库，用于存储约束规则、初始数据、材料、育种、试验等信息，数据库结构如图2 所示。

图2 育种数据库结构Fig.2 Database structure of breeding

3.2 数据表设计

为便于数据的调用、存储和管理，根据数据类型将育种数据分为规则数据、初始数据、材料数据、育种数据、试验数据等若干类，以材料属性为例，材料属性表主要包括以下7 个数据项（表1）。

表1 部分材料属性数据Table 1 Datasets of breeding materials

3.2.1 材料编号 每份育种材料具有独立的编号，作为其在育种各环节中的唯一标识。

3.2.2 曾用名 材料在育种过程中的各世代允许具有不同的名称，曾用名可以定位其上一代的名称信息。

3.2.3 品种类型 定义材料所属的品种类型。

3.2.4 性状类型 主要包括农艺性状、非生物胁迫类性状、生物胁迫类性状、品质性状、生化性状等信息。

3.2.5 材料分组 记录材料所属分组及分组变动信息。

3.2.6 产量表现 主要包括单产、总产、增减产情况、不同材料产量对比等信息。

3.2.7 系谱信息 定义系谱样式、亲本间隔号、育种模式等信息。

4 系统实现

4.1 界面设计

系统界面分为登录界面、一级系统界面和二级系统界面，支持自定义界面布局、菜单的级别变动和菜单内容修改，便于用户根据分工要求和个人习惯，自主采用便捷、个性化的操作方式；用户可以自定义部分系统信息，如系统标题、版权、技术支持等信息。根据各功能模块包含的内容，界面左侧设有树状目录，目录树可以分级展开、合并，相应信息在界面中部的功能区中显示；材料管理和育种管理模块界面的右侧设有材料组和试验组树状目录，用于自主选择材料组名、试验组名及二者所包含的材料和试验；中部功能区与界面右侧的目录树联动，实现材料管理和试验管理之间的跨模块调用功能。支持用户自定义查询。所有模块中，互斥性的查询选项采用下拉框或点选的方式选定，数值型、描述性的数据项采用文本框输入的方式。系统支持多重条件联合查询，便于用户精确定位感兴趣信息。

4.2 系统登录

通过输入ID 和密码登录系统，后台服务器验证登录信息，若通过验证则跳转到系统一级界面，若验证不成功，则提示错误类型；支持用户修改、找回密码等操作（图3）。

图3 系统登录界面Fig.3 System login interface

4.3 基础数据管理

定义性状、地点及地块、编号规则、系谱规则等约束条件，具有添加、查询、修改删除、导入、导出功能，此模块定义的规则适用于育种流程各环节，接受系统所有模块的调用（图4）。

图4 基础数据管理Fig.4 Basic data management

4.4 数据管理

小麦育种初始数据进入此模块，由育种家对材料进行初选，进而评价材料表现，决定材料的保留、淘汰；初代材料无论评价结果如何，均进入材料管理模块，进行第二轮的种植、评价。小麦育种过程中的材料和组合存在重复使用的情况，经过材料管理模块、育种管理模块、实验管理模块的筛选后，部分材料和组合可能重新进入数据管理模块，进行再次评价。系统支持年度、布局、初选状态、评价状态的自定义查询，生成记录本并导出结果（图5）。

图5 材料评价Fig.5 Material evaluation

4.5 材料管理

评价后的材料进入此模块，育种家设定材料的编号、名称、种质类型、品种类型等信息，根据性状表现存入相应的材料分组，并进入育种管理模块。支持对材料属性的自定义查询和结果导出（图6）。

图6 材料属性管理Fig.6 Material attribute management

4.6 育种管理

育种家在此模块中选择材料亲本，配置育种组合，选择育种模式，规划地块和小区布局，将一代材料再次种植，得到二代材料的性状数据。二代材料重新进入数据管理模块进行评价，根据评价结果再依次进入材料管理、育种管理模块，执行材料编号、材料分组、组合配置等操作。支持对育种清单、育种模式、亲本材料、地块和小区布局信息的的自定义查询和结果导出（图7）。

图7 育种清单Fig.7 Breeding list

4.7 实验管理

育种材料经过数代选育，性状表现达到试验要求后，数据进入试验管理模块。在此模块中，育种家设计试验方案，主要包括试验时间、名称、地点、所属生态区、考察性状等项目；针对不同性状表现的材料，设置相应的试验组，对材料进行下一步选育。选育得到的材料重新进入基础数据管理模块进行评价，经过若干代试验后，选育出目标品系，完成小麦数字化育种的全流程（图8）。

图8 试验设计Fig.8 experimental design

4.8 系统管理

系统采用独立的后台管理界面。管理界面左侧设置权限管理和系统维护两大类目录，界面中部为工作区，定义角色、权限、人员等属性，以可视化形式展现用户权限分配信息和系统维护信息。由于育种团队涉及不同的部门、项目组、试验小组，系统设置了超级管理员、一级管理员、试验组长和组员4 个角色。管理员拥有最高权限，拥有对所有数据的访问、修改权；一级管理员可以访问、修改本人管理的所有试验组的数据；试验组长拥有对本试验组内数据的访问、修改权限；试验组成员仅有数据导入的权限。超级管理员、一级管理员、试验组长为各自所管理的用户赋予权限，可以对用户进行添加、修改、删除、禁用等操作；超级管理员负责系统维护、日志管理、数据备份与恢复等工作（图9）。

图9 系统管理界面Fig.9 System management interface

5 结语

种质资源是人类赖以生存的物质基础[19]，种业是农业基础产业[20]，小麦育种的目标是实现小麦的优质、高产和稳产，对现代农业发展和粮保证食安全具有重要意义，是促进农业可持续发展的重要途径[21～23]。育种流程的数字化可以有效降低人力和时间成本，提高育种效率。

通过概述小麦数字化育种系统的开发过程，介绍了系统架构、数据库结构和主要功能的实现，该系统主要优势有4 个方面（1）对育种材料进行数字化记载和管理，便于追溯历史育种材料，重新发现历史材料的价值。（2）高效记录、查询育种数据，克服纸质记载带来的记载错误、容易损毁的弊端，提高数据精确度。（3）实现多地点、多年份、多品系、多性状的整合分析，综合评估育种材料的优劣，便于从复杂的材料中筛选目标品系，提高决策针对性。 （4）运用数理统计和综合评判的方法实现育种数据的综合分析，有效加速了新品种选育的进程。

系统实现了小麦育种流程的数字化，若将作物种类扩展至玉米、水稻等主粮作物，系统功能将更加完善。系统围绕小麦育种的业务逻辑，实现从亲本选配到品种选育的全流程管理。