我國戰(zhàn)略生物資源大數(shù)據(jù)及應(yīng)用

梁 卓 褚 鑫 曾 艷 周 桔 馬俊才

1 中國科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展局 北京 100864

2 中國科學(xué)院重大科技任務(wù)局 北京 100864

3 中國科學(xué)院微生物研究所 北京 100101

1 生物資源是國家的戰(zhàn)略性資源

生物資源是指對人類具有現(xiàn)實(shí)和潛在價(jià)值的基因和物種的總和，包括植物、動物、微生物資源和人類遺傳資源。生物資源是人類繁衍和發(fā)展最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是地球上最寶貴的財(cái)富[1]。生物資源是生物產(chǎn)業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和生命科學(xué)研究的源頭與基礎(chǔ)。特色植物、資源植物可能為整個(gè)國家的農(nóng)業(yè)帶來轉(zhuǎn)型。豐富多樣的微生物為人類解決能源、環(huán)境危機(jī)提供了重要平臺[2]。干細(xì)胞基于其自我更新和分化潛能，為人類許多重大疾病的根治帶來希望。模式動物與實(shí)驗(yàn)動物賦予了人類揭示生命本質(zhì)的啟示和手段，而各類工具酶的應(yīng)用則是現(xiàn)代分子遺傳學(xué)發(fā)展和基因工程的基礎(chǔ)。生物資源是國家的戰(zhàn)略性資源已成為各行各業(yè)的共識[1]。

2 戰(zhàn)略生物資源大數(shù)據(jù)是未來國際科技與產(chǎn)業(yè)競爭熱點(diǎn)和戰(zhàn)略制高點(diǎn)

新技術(shù)帶來的數(shù)據(jù)激增以及數(shù)據(jù)管理要求的提高，推動著生命科學(xué)向大數(shù)據(jù)驅(qū)動發(fā)現(xiàn)的維度發(fā)展[3]。21 世紀(jì)初“人類基因組計(jì)劃”的完成標(biāo)志著生命科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，一種新的生命科學(xué)研究范式出現(xiàn)[4]。大數(shù)據(jù)革命將改變我們的生活和商業(yè)模式[5]。

科學(xué)數(shù)據(jù)是科技創(chuàng)新和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用將成為未來競爭的基礎(chǔ)。標(biāo)本館的收藏及其保存的數(shù)據(jù)不僅對于傳統(tǒng)的分類學(xué)和系統(tǒng)學(xué)研究很有價(jià)值，而且對于生態(tài)學(xué)、生物工程、食品安全以及科學(xué)收藏的人類社會和文化元素也很有價(jià)值[6]。植物學(xué)數(shù)據(jù)可用作開發(fā)統(tǒng)計(jì)模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以預(yù)測變化對生物體的影響。這些模型可用作保護(hù)和政策工具，以減輕全球環(huán)境變化對生物多樣性和糧食安全的影響。基于原始生物多樣性數(shù)據(jù)建立的物種分布模型也可用于更好地發(fā)現(xiàn)和預(yù)測生物入侵。整合新生物和古生物多樣性數(shù)據(jù)，與在資源中發(fā)現(xiàn)的基于文獻(xiàn)的發(fā)生數(shù)據(jù)相聯(lián)系，可以幫助回答當(dāng)今全球變化研究的深層問題?？茖W(xué)數(shù)據(jù)作為國家科技創(chuàng)新發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，已經(jīng)成為全社會的高度共識。與生物資源本身一樣，生物資源信息數(shù)據(jù)也已成為國家重要戰(zhàn)略資源，成為國際科技與產(chǎn)業(yè)競爭熱點(diǎn)和戰(zhàn)略制高點(diǎn)。大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施提供大規(guī)模數(shù)據(jù)收集、存儲以及處理和分析的能力，是國家核心競爭力的重要組成部分。

因此，建設(shè)一個(gè)集中的國家級戰(zhàn)略生物資源大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施成為當(dāng)務(wù)之急。這種基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)實(shí)現(xiàn)卓越的安全數(shù)據(jù)存儲能力、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制、跨多種類型的系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成，以及深入的數(shù)據(jù)挖掘和有效的數(shù)據(jù)共享。利用這種基礎(chǔ)設(shè)施作為發(fā)射臺，我們將能夠不斷提高國家安全數(shù)據(jù)存儲、信息共享、技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)改進(jìn)、知識產(chǎn)權(quán)增值和生物數(shù)據(jù)高效利用的能力。

3 國內(nèi)外戰(zhàn)略生物資源數(shù)字化建設(shè)的現(xiàn)狀與進(jìn)展

3.1 發(fā)達(dá)國家高度重視對生物資源的信息化建設(shè)和管理

在過去幾十年中，發(fā)達(dá)國家創(chuàng)建、存儲和連接生物多樣性數(shù)據(jù)庫的舉措激增。例如，英國國家生物多樣性網(wǎng)絡(luò)門戶①http://data.nbn.org.uk/.是一個(gè)收集、分類、分析和傳播英國生物多樣性數(shù)據(jù)的組織。歐洲建立了生物多樣性數(shù)據(jù)中心②http://www.eea.europa.eu/themes/biodiversity/dc.，愛爾蘭和比利時(shí)也倡導(dǎo)了目的類似的國家計(jì)劃③http://www.biodiversityireland.ie/ and http://data.biodiversity.be/.[7]。長期監(jiān)測項(xiàng)目，如美國的長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目（LTER）④http://lternet.edu/.、美國國家科學(xué)基金會（NSF）出資 4 億美元建立的國家生態(tài)觀測網(wǎng)（NEON）⑤http://www.neonscience.org/.以及澳大利亞的陸地生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（TERN）⑥http://www.tern.org.au/.等，正在提供長期標(biāo)準(zhǔn)化的生態(tài)和生物數(shù)據(jù)集的開放訪問[8]。更雄心勃勃的國際基礎(chǔ)設(shè)施尋求將各國和各大洲的數(shù)據(jù)庫連接起來。全球生物多樣性信息設(shè)施（GBIF）⑦h(yuǎn)ttp://www.gbif.org.是一個(gè)跨國、開放的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，用于匯集當(dāng)?shù)睾筒煌瑏碓吹纳锒鄻有孕畔?，目前已包?10 億多條物種分布信息。該設(shè)施“允許任何地方的任何人通過互聯(lián)網(wǎng)訪問跨越國界共享的關(guān)于地球上所有類型生命的數(shù)據(jù)”。同樣，由美國 NSF 資助的生態(tài)信息技術(shù)平臺DataONE（地球數(shù)據(jù)觀測網(wǎng)絡(luò)）⑧http://www.dataone.org.備受矚目；該項(xiàng)目目標(biāo)是廣泛收集、存儲地球和環(huán)境有關(guān)數(shù)據(jù)，在普及應(yīng)用基礎(chǔ)上，創(chuàng)造新的知識[9]。

館藏?cái)?shù)字化已成為世界自然歷史館藏的關(guān)鍵活動之一。通過 NSF 資助推進(jìn)的生物多樣性數(shù)字化（ADBC）項(xiàng)目，美國的保藏物數(shù)字化得到了加強(qiáng)。到 2020 年，美國博物館中數(shù)字化的標(biāo)本總數(shù)可能超過 1 億件[10]。

近年來，生物多樣性信息學(xué)快速發(fā)展，全球和區(qū)域水平的生物多樣性數(shù)據(jù)庫不斷建立和完善[11]。若干國家水平的數(shù)據(jù)庫，如澳大利亞生物多樣性信息系統(tǒng)（ALA）⑨http://www.ala.org.au.已有超過4606萬條記錄，美國標(biāo)本數(shù)字化平臺（iDigBio）⑩http://www.idigbio.org.有超過 9 500 萬條的數(shù)字化標(biāo)本共享。全球生物信息的主要數(shù)據(jù)由美國的國家生物技術(shù)信息中心（NCBI）和歐洲生物信息研究所（EBI）等建立的數(shù)據(jù)庫控制[12]。

2014 年啟動的世界植物在線（WFO）項(xiàng)目擴(kuò)大了數(shù)字化工作和虛擬植物標(biāo)本館的范圍。WFO 是根據(jù)《全球植物保護(hù)戰(zhàn)略》2020 年的主要目標(biāo)開發(fā)的一個(gè)與世界其他 30 個(gè)機(jī)構(gòu)合作的項(xiàng)目，旨在制作并呈現(xiàn)世界在線植物區(qū)系。這些數(shù)據(jù)通過虛擬植物標(biāo)本館呈現(xiàn)，并提供給 WFO 門戶網(wǎng)站；所有參與機(jī)構(gòu)將向該網(wǎng)站提供其擁有的數(shù)字化植物描述。

2015 年，中國作為代表提出了亞洲生物多樣性數(shù)字化計(jì)劃（Mapping Asia Plants，MAP）。MAP 旨在建立亞洲植物學(xué)信息的大數(shù)據(jù)在線平臺，為亞洲植物多樣性保護(hù)與研究提供綜合性基礎(chǔ)信息和跨學(xué)科數(shù)據(jù)挖掘環(huán)境[13]。與MAP 類似的項(xiàng)目為數(shù)不多，全球尺度上有 Map of Life（MOL）??http://www.mol.org.?http://bien.nceas.ucsb.edu/bien.。MOL 旨在搜集和整合全球物種分布及其動態(tài)變化的數(shù)據(jù)和知識，為生物多樣性教育、保護(hù)、研究和科學(xué)決策服務(wù)。其理念是把生物多樣性畫在圖上（putting biodiversity on the map）。在區(qū)域尺度上，植物學(xué)信息與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)（Botanical Information and Ecology Network，BIEN）??http://www.mol.org.?http://bien.nceas.ucsb.edu/bien.提供了很好的參考案例。

3.2 我國積極推動科技資源的整合共享與高效利用

為促進(jìn)科技資源的有效利用和共享，我國科學(xué)技術(shù)部啟動了國家科技基礎(chǔ)條件平臺建設(shè)工作。自然科技資源和科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)屬于平臺建設(shè)的主要內(nèi)容，植物種質(zhì)資源、動物種質(zhì)資源、微生物菌種資源、人類遺傳資源、實(shí)驗(yàn)生物材料、生物標(biāo)本、巖石礦物和化石標(biāo)本等八大類自然資源的整合集成與共享成為自然科技資源平臺建設(shè)的重點(diǎn)?？茖W(xué)數(shù)據(jù)資源建設(shè)重點(diǎn)整合、集成各部門、各地方、各單位的科學(xué)數(shù)據(jù)資源，充分利用國際科學(xué)數(shù)據(jù)資源，搶救離散科學(xué)數(shù)據(jù)資源，開發(fā)系列數(shù)據(jù)集和產(chǎn)品，構(gòu)建面向全社會的網(wǎng)絡(luò)化、智能化的科學(xué)數(shù)據(jù)管理與共享服務(wù)體系。

2018 年 2 月，為深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，規(guī)范管理國家科技資源共享服務(wù)平臺，推進(jìn)科技資源向社會開放共享，科學(xué)技術(shù)部、財(cái)政部印發(fā)《國家科技資源共享服務(wù)平臺管理辦法》。2018 年 4月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《科學(xué)數(shù)據(jù)管理辦法》，對戰(zhàn)略生物資源數(shù)據(jù)的規(guī)范管理具有重要的指導(dǎo)意義。2019 年 6 月 5 日，為落實(shí)《科學(xué)數(shù)據(jù)管理辦法》和《國家科技資源共享服務(wù)平臺管理辦法》的要求，規(guī)范管理國家科技資源共享服務(wù)平臺，科學(xué)技術(shù)部、財(cái)政部對原有國家科技資源共享服務(wù)平臺開展了優(yōu)化調(diào)整工作。通過部門推薦和專家咨詢，形成“國家微生物數(shù)據(jù)中心”等 20 個(gè)國家科學(xué)數(shù)據(jù)中心以及“國家重要野生植物種質(zhì)資源庫”等 30 個(gè)國家生物種質(zhì)與實(shí)驗(yàn)材料資源庫。

4 中國科學(xué)院在資源整合共享和數(shù)據(jù)管理利用方面的進(jìn)展

中國科學(xué)院作為國家戰(zhàn)略科技力量，歷來十分重視生物資源的保存、利用與共享。在中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源服務(wù)計(jì)劃整體框架下，依托中國科學(xué)院微生物研究所成立了中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源信息中心。該中心以中國科學(xué)院在生物資源領(lǐng)域的雄厚積淀為基礎(chǔ)，全面整合中國植物園聯(lián)盟、國家標(biāo)本館體系、全國微生物和細(xì)胞資源應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)、模式與特色動物實(shí)驗(yàn)平臺利用聯(lián)盟、中國生物多樣性監(jiān)測與研究網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)信息，旨在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，開展數(shù)據(jù)挖掘，提升數(shù)據(jù)價(jià)值，支撐戰(zhàn)略生物資源領(lǐng)域科學(xué)研究以及社會應(yīng)用。同時(shí)，該平臺通過開展戰(zhàn)略生物資源領(lǐng)域國內(nèi)外信息搜集整理和分析，提供政策咨詢參考，支撐科學(xué)決策，將保存的生物遺傳資源轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)實(shí)物資源信息的高效共享服務(wù)，并為國家相關(guān)部門和國際履約提供技術(shù)支撐。

為規(guī)范和加強(qiáng)中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源服務(wù)計(jì)劃的項(xiàng)目數(shù)據(jù)匯交工作，促進(jìn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的共享，中國科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展局牽頭制定了《中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源服務(wù)計(jì)劃數(shù)據(jù)管理及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，其內(nèi)容包括“數(shù)據(jù)管理及匯交辦法”和“標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”兩部分?！皵?shù)據(jù)管理及匯交辦法”對服務(wù)計(jì)劃中的數(shù)據(jù)匯交計(jì)劃、數(shù)據(jù)匯交內(nèi)容、數(shù)據(jù)匯交流程、匯交數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)使用與知識產(chǎn)權(quán)等內(nèi)容進(jìn)行了明確的規(guī)定?！皹?biāo)準(zhǔn)規(guī)范”部分按照不同資源類型及其子類，對需要匯交數(shù)據(jù)的詳細(xì)內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式和樣例給出了詳細(xì)的要求。為促進(jìn)生物資源數(shù)據(jù)被盡可能廣泛和自由地共享和使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范管理、有效利用和增值服務(wù)提供了參考和依據(jù)。

中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源信息中心開發(fā)了我國戰(zhàn)略生物資源對外信息共享門戶和綜合服務(wù)平臺??http://www.casbrc.org.。作為我國重要戰(zhàn)略生物資源的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，該平臺提供統(tǒng)一的檢索入口和并行綜合查詢，發(fā)揮其核心數(shù)據(jù)目錄的作用，為我國的生命科學(xué)研究以及生物技術(shù)的發(fā)展提供重要的數(shù)據(jù)支撐。依據(jù)中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源服務(wù)計(jì)劃數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建立的在線目錄資源數(shù)據(jù)管理平臺，可以按照各個(gè)資源領(lǐng)域及其數(shù)據(jù)提交單位設(shè)立不同的管理權(quán)限，并可通過基于網(wǎng)頁方式的數(shù)據(jù)管理平臺，建立多級的數(shù)據(jù)上傳、同步和發(fā)布等功能，從而有效支撐了全院各資源領(lǐng)域、各資源中心的數(shù)據(jù)匯交、實(shí)時(shí)發(fā)布和在線統(tǒng)計(jì)。利用數(shù)據(jù)管理工具，形成了各保藏單位、工委會、總中心的三級數(shù)據(jù)匯交體系，并匯總形成中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源目錄（圖 1）。利用該目錄，可以數(shù)據(jù)按照來源、物種、生存狀態(tài)、共享方式等多種類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并能進(jìn)行多樣化的在線檢索和數(shù)據(jù)展示。

中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)信息平臺致力于涵蓋中國科學(xué)院內(nèi)標(biāo)本館、植物園、典型培養(yǎng)物、實(shí)驗(yàn)動物和生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行整體布局和頂層設(shè)計(jì)（表 1）。該平臺建立了一系列生物資源數(shù)據(jù)的收集、保護(hù)、研究、管理與利用等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、加工、處理與交換的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；整合了中國科學(xué)院生物資源數(shù)據(jù)庫，徹底理清了中國科學(xué)院生物資源的家底；建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺和完備的數(shù)據(jù)交換與共享機(jī)制，建立了全院統(tǒng)一的資源目錄和信息門戶，包括各單位館藏的元數(shù)據(jù)信息、全院綜合資源目錄及信息門戶，從而提高中國科學(xué)院生物資源保護(hù)、研究與管理水平，促進(jìn)戰(zhàn)略生物資源面向社會的應(yīng)用和服務(wù)水平。

圖 1 中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源在線目錄

表 1 中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源數(shù)據(jù)發(fā)布情況

5 思考及討論

在大數(shù)據(jù)的背景下，未來的生物資源研究必將朝著形成一個(gè)全方位的生物資源研究、開發(fā)與應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，各個(gè)環(huán)節(jié)的聯(lián)系更加緊密，對數(shù)據(jù)應(yīng)用也必將提出更高的要求。系統(tǒng)、全面、科學(xué)地搜集、整理我國生物資源信息，不僅可以將其用于生物多樣性保護(hù)和生物資源的合理開發(fā)和利用，而且可以應(yīng)用到以生物學(xué)為基礎(chǔ)的各個(gè)方面，推動中國生命科學(xué)研究的快速發(fā)展，進(jìn)而影響生物經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。因此，建立戰(zhàn)略生物資源綜合信息服務(wù)平臺不僅是基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展的客觀要求和必然趨勢，也是國民經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的需要。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)要求生物學(xué)家提供越來越多的生物資源信息。中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源綜合信息服務(wù)平臺通過整體布局和頂層設(shè)計(jì)，為生物資源的系統(tǒng)化、集約化保存、研究和功能評價(jià)提供全方位的信息支撐；通過建立信息集成和服務(wù)平臺，向全社會開放、共享資源，凸顯生物資源對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要支撐服務(wù)作用。未來，中國科學(xué)院還將以該信息平臺為基礎(chǔ)，開展生物資源搜集和功能研究的廣泛的國際合作。通過開展聯(lián)合測序、數(shù)據(jù)分析等共同研究，對生物資源進(jìn)行研究及功能評價(jià)，拓寬我國資源搜集渠道，為生物技術(shù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)。