数字化玉米育种思路

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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。- 1 -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

11、济学等多种门类的 学科。专家系统的建立就是要对与玉米育种有关的技术原理、技术方法、基因遗传效应、环 境效应、栽培效应（如密度，光温水等技术条件的效应等）等科学原理、育种者的经验积累 和选育模型和试验效应等等通过软件开发，变成可以对基础数据进行智能分析，并给出恰当 建议的能力。软件的开发应具有可扩展性和可修正性，以便不断容纳更新的研究成果。这些 成果需要将玉米的科研成果进行系统全面的整合。由于育种过程中复杂性，专家系统给出的 结果可以作为参考。专家智能系统主要考虑的因素可能包括以下几个方面。3.1 玉米的基因（组）数据库的建立和相互调控和作用的数值化分析玉米基因组测序以及其他禾本科作物的基因组测

12、试工作对于了解基因之间的相互作用， 建立特定基因的探针和标记，需要非常复杂的数据库管理系统，这种管理系统必须是数字化 管理系统。3.2 植物遗传种质基因流入玉米基因组的遗传变异跟踪，各种基因的特定标记的 筛选和优化育种工作主要是基本上是对于基因单位以上的性状进行处理，各种植物（生物）已经研 究较为完善的基因能否在玉米材料上得到体现，寻找相应基因的特定标记，并对重要基因的 跟踪或者标记的辅助选择需要数据库的数字化。3.3 玉米种质资源库的材料间的彼此遗传关系、核心种质的筛选最主要的遗传关系和遗传距离的判定都必须依赖于数据库的强大功能，数据库存储的种 质数量越多，对于材料之间的关系判别的就越准确，

13、为智能推理打下基础。种质材料之间关 系的数字化分析。对于稳定的材料之间的相互关系，通过对品种的遗传近似度（遗传距离） 的分析，分别判定出材料之间的遗传距离。遗传距离的判定有多种途径（举例）。对所有的 材料进行聚类分析，自动识别出材料的遗传类群，在目前的计算机技术条件下完全能够做得 到。骨干自交系（核心种质的）筛选。骨干自交系一方面来自于育种已经形成的范围和种质， 另一方面骨干自交系也是一个动态的概念，随着育种的不断进展，骨干自交系也可以随着时 间而发生变化，数据库技术可以协助进行确定骨干自交系。对于引入的种质材料进行综合判 定，通过系列的测配判定其一般配合力和特殊配合力。3.4 基因组合与外观

14、性状的对应关系特定遗传组成与遗传环境的相互作用的研 究由于基因的表达和外观形状的表现依赖于设定的实验环境和气候条件等的综合作用，基 因组合在不同条件下性状表达中的比例和作用大小，依赖于庞大的数据分析和挖掘。通过对 存储数据库的巨大资源进行分析，就可以对于基因与环境的可能表现数值做出预估。3.5 扩大杂种优势模式到单个组合水平。这将是对杂种优势模式的无限延伸和细 化根据基础自交系材料间的遗传和性状关系如，生育期、果穗大小，雄穗大小，性状互补、 遗传间距、株型特征，营养品质，指纹特征等关系，根据育种者的育种目标，自动筛选出一 定数目的测配组合，这些组合应高具有较大的可靠性。每个材料都有可能充分挖掘

15、其与其他 所有材料的遗传潜力，可能发挥的最大杂种优势潜力将得到最大程度的挖掘。对于新培育的 早代系的测配恐怕更多地依赖于育种者的判断和意愿；数字化育种专家系统筛选测配组合将 主要根据生态差异原则、亲缘关系原则、相似相容原则。、性状互补原则、杂种优势原则、 生产实用原则（郑曙峰 1998）。3.6 系谱分析种质资源的亲缘关系和系谱来源可以根据育种者的需要，对于任意材料给出前几代的系 谱和后续的几代系谱材料的编号，及其综合评判如特殊配合力和一般配合力等。3.7 遗传信息学破译常规的育种过程是按照从上到下，从前到后的顺序，利用亲本的性状推断子代的性状， 随着现代指纹技术的发展和种质资源信息的不断深入挖掘，通过子代信息表现推断和分析亲 本的组成情况将不再遥远。因为杂交种的遗传信息平均来自于父本和母本，通过序列分析、 标记指纹分析（如 DNA、蛋白质、同工酶类等）、性状分析法将容易反推出亲本的遗传组成。 例如通过杂交种的种子果皮 DNA 分析就可以鉴别出母本 (王凤格等)，并且通过比较指纹特 点推断父本的可能组成效率也大大提高。同母异父杂交组合可以通过将杂交种与其可能父本 之间进行聚类分析找出遗传距离最小的就可以认定为其父本。正反交的杂交种也很容易从联 网的巨大的数据库中筛选出来，直接就可以确定父母本（赵久然，2001）。总之通过育种家 的经验和数据库数字化育种程序的支持，原来视为秘密的杂