遼寧農(nóng)業(yè)基因資源大數(shù)據(jù)平臺設(shè)計與實施

◎孟未來 陳愛國 吳禹

一、項目背景

近幾年，國家陸續(xù)出臺了一系列種質(zhì)資源基因多樣性保護(hù)的相關(guān)政策，特別是2021 年中央一號文件《中共中央、國務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》發(fā)布和第三次全國種質(zhì)資源普查調(diào)查活動的開展，提升了全民的基因資源保護(hù)意識，使農(nóng)作物種質(zhì)資源庫信息化建設(shè)進(jìn)入了新的發(fā)展階段。

遼寧省農(nóng)業(yè)基因資源豐富，涵蓋主要農(nóng)作物、海洋漁業(yè)、淡水水產(chǎn)、經(jīng)濟林、果樹、花卉、微生物等等，但研究單位機構(gòu)多導(dǎo)致農(nóng)業(yè)基因資源保存分散；數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)差異大；資源性狀采集信息不完整；共享機制不完善等，以上因素導(dǎo)致我省基因資源共享服務(wù)水平和有效利用率偏低。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，種子是基礎(chǔ)，但種質(zhì)研究，信息先行。資源的妥善保存是資源有效利用的前提，現(xiàn)代化種質(zhì)庫是實現(xiàn)資源持久保存的根本保證［1］。建設(shè)數(shù)字化基因資源平臺是夯實種質(zhì)資源基礎(chǔ)的關(guān)鍵，信息化參與程度決定了種質(zhì)資源的研究開發(fā)和共享利用效率。遼寧省農(nóng)科院種質(zhì)庫2009 年開始運行，建筑面積1000 平方米，庫容量為25 萬份，是中國農(nóng)科院作物研究所國家農(nóng)作物種質(zhì)資源共享平臺中心認(rèn)定的全國農(nóng)作物種質(zhì)資源綜合性服務(wù)14 個子平臺之一。2011 年遼寧省農(nóng)科院根據(jù)種質(zhì)庫日常出入庫管理自主設(shè)計開發(fā)了LGRIS（liaoning germplasm resources information system），該系統(tǒng)實現(xiàn)了種質(zhì)庫庫內(nèi)管理與庫外發(fā)布的聯(lián)動管理。2012 年通過了科技廳的科技成果鑒定，鑒定意見為國內(nèi)領(lǐng)先水平。多年來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，共收錄16 種農(nóng)作物的31000 份資源數(shù)據(jù)。為我省農(nóng)作物種質(zhì)資源管理和引種共享、為農(nóng)業(yè)科研、育種發(fā)揮了重要作用。LGRIS 一代系統(tǒng)已經(jīng)運行多年，隨著庫存量的逐步增多，功能上已經(jīng)不能滿足種質(zhì)出入庫和共享發(fā)布的需求，并且未包含非主要農(nóng)作物如果樹、畜禽、林草、海洋、淡水、柞蠶、微生物等基因資源，已經(jīng)不符合建立大農(nóng)業(yè)、大數(shù)據(jù)平臺的要求。2021 年遼寧省農(nóng)科院設(shè)立科研專項，開始設(shè)計研發(fā)遼寧農(nóng)業(yè)生物基因資源共享管理平臺-LGRISS。我省各級政府部門高度重視種質(zhì)資源工作，沈陽市委市政府積極探索鄉(xiāng)村振興的“沈陽模式”-院地合作，從保障糧食安全、種業(yè)安全的戰(zhàn)略高度，2022 年與遼寧省農(nóng)科院在農(nóng)作物種質(zhì)資源收集與研究方面開展共建工作，相關(guān)政策及專項資金將助推我省農(nóng)業(yè)生物基因資源共享管理大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)的步伐。

二、平臺建設(shè)目標(biāo)

遵循國家種質(zhì)庫作物數(shù)據(jù)描述規(guī)范，設(shè)計開發(fā)集電腦端、微信小程序端、智能手機APP 三端合一的多維度、多渠道覆蓋的遼寧農(nóng)業(yè)生物基因資源共享管理平臺。大數(shù)據(jù)平臺以遼寧省農(nóng)科院種質(zhì)庫主要農(nóng)作物數(shù)據(jù)為主，以省內(nèi)其他資源庫圃為輔，整合我省非主要農(nóng)作物基因資源數(shù)據(jù)如海洋漁業(yè)、淡水水產(chǎn)、牧草畜禽、經(jīng)濟林、果樹、微生物、柞蠶、蔬菜、花卉、牧草等為一體。通過“物理分散，邏輯統(tǒng)一”的方式進(jìn)行資源庫圃建設(shè)與管理［2］。通過種質(zhì)資源出入庫管理、田間試驗管理、云監(jiān)控管理、多媒介共享發(fā)布、異地庫圃遠(yuǎn)程提交、GIS 統(tǒng)計分析等實現(xiàn)遼寧省農(nóng)業(yè)基因資源數(shù)據(jù)的廣泛化采集、標(biāo)準(zhǔn)化管理、精準(zhǔn)化存儲和多維度共享，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行算法和數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生物基因資源數(shù)據(jù)的可視化分析，面向管理部門、科研人員、育種工作者實際需求，最終建成高效、便捷、規(guī)范、統(tǒng)一的遼寧省大農(nóng)業(yè)生物基因大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，并與國家種質(zhì)資源共享服務(wù)平臺接軌，達(dá)到種質(zhì)資源日常精準(zhǔn)管理、廣譜共享和高效利用的目的。

三、平臺技術(shù)路線

系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫部署在遼寧省政務(wù)云，采用https 傳輸。編程環(huán)境及語言采用visual studio、jsp、C#，數(shù)據(jù)庫為my sql。框架功能如下：

1.種質(zhì)庫管理模塊：（1）包含資源入庫流程：資源提交、查重、生命力檢測數(shù)據(jù)、資源編目、性狀信息導(dǎo)入、中長期庫位分配、入庫審核、入庫單文檔生成、diable 二維碼打印、查詢檢索、歷史原數(shù)據(jù)導(dǎo)入。（2）資源出庫流程：共享端提交表單申請、管理員審核、出庫審核、出庫單文檔生成。（3）日常管理：角色權(quán)限管理、庫位空間模擬、工作人員巡庫打卡、種質(zhì)庫云監(jiān)控融合、資源預(yù)警、田間性狀調(diào)查、gis 統(tǒng)計顯示、出入庫統(tǒng)計分析信息。

2.異地庫圃遠(yuǎn)程管理：CA 認(rèn)證登陸，針對非主要農(nóng)作物資源，基因資源數(shù)據(jù)提交，資源實物異地庫圃保存。

3.資源展示共享模塊：采用https 傳輸，包含登陸/注冊、資源庫圃云VR、查詢檢索、資源索?。ㄒN利用證明表單pdf 生成）、索取資源物流追蹤、線索提交、基因資源系譜分析、利用數(shù)字孿生技術(shù)，建設(shè)基因資源的虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)、高清資源圖片庫、資源鏈接、資源專家?guī)?、資源前沿資訊等主要功能模塊。

4.微信小程序：資源查詢、資源獲取、資源線索提交（圖文）、資源庫圃云VR 資源最新資訊、資源專家?guī)臁⒒臃答伳K，庫管工作人員掃碼管理功能。

5.手機APP：資源查詢檢索、基因資源獲取、引種單生成、資源追溯回饋、資源實時快遞狀態(tài)、特異資源線索提交、資源庫圃云VR 資源最新資訊、農(nóng)作物性狀田間調(diào)查上傳、基因資源專家?guī)臁⒒臃答伳K、庫管工作模塊。

基因資源管理流程如下圖：

四、平臺數(shù)據(jù)安全性保障

1.采用https 傳輸，管理系統(tǒng)端擬用CA 驗證身份，按照設(shè)定有效操作時間間隔，超時自動推出重新登錄。

2.角色權(quán)限設(shè)定分明，共136 權(quán)限。

3.完整細(xì)密的日志log，確保所有環(huán)節(jié)操作都可以追溯。

4.服務(wù)器部署在遼寧省政務(wù)云上，硬件安全有保障。虛擬服務(wù)器只開放兩個網(wǎng)絡(luò)端口，其余端口都關(guān)閉。

五、平臺人性化功能

1.動態(tài)冗余設(shè)置：作物類別、數(shù)據(jù)字段、倉庫設(shè)置，后期都能根據(jù)實際情況設(shè)置，進(jìn)行增刪改操作。

2.系統(tǒng)隱含校驗：時間、重量、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、特定性狀數(shù)據(jù)等。

3.模板批量導(dǎo)入：系統(tǒng)全過程環(huán)節(jié)都有模板導(dǎo)入功能，提升效率。

4.高度集成：庫房溫濕巡檢、云監(jiān)控、庫位模擬、資源預(yù)警、出入庫審核表單生成等功能融為一體。

5.報表生成：系統(tǒng)流程申請自動生成入庫單、出庫單、引種利用證明三個表單，確保種質(zhì)資源提交者和索取資源的數(shù)據(jù)保存和管理。

六、結(jié)束語

相對于LGRIS 的一代系統(tǒng)，LGRISS 作為遼寧省農(nóng)科院種質(zhì)庫基因資源管理的二代系統(tǒng)，增加的S 包含4s：save，意即二代系統(tǒng)將加強收集、保存的力度和廣度；Share，系統(tǒng)更加注重共享利用的覆蓋面和效率；service，側(cè)重系統(tǒng)的使用便捷性，向科研人員和管理人員服務(wù)傾斜；security，更加側(cè)重系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全。4s 設(shè)計理念使LGRISS 數(shù)據(jù)庫涵蓋的基因資源范圍更廣，多信息端的管理方式和獲取方式使日常管理、信息傳播和基因資源共享利用效率大幅提升，有效推動保障我省“農(nóng)業(yè)基因芯片”研究高質(zhì)量發(fā)展。同時將目前已積累的大量關(guān)于作物種質(zhì)資源遺傳多樣性、相關(guān)目標(biāo)性狀基因等分子標(biāo)記信息乃至基因序列信息與現(xiàn)有平臺相聯(lián)合，這是進(jìn)一步利用信息技術(shù)實現(xiàn)科技創(chuàng)新和突破的新支撐點，也必然是今后信息共享體系的重要內(nèi)容［3］。LGRISS 系統(tǒng)穩(wěn)定運行后將從以下三個方向繼續(xù)加深基因數(shù)據(jù)的整合和大數(shù)據(jù)挖掘。

1.開發(fā)農(nóng)作物基因資源育種系譜分析系統(tǒng)。

2.建立基因資源高清圖庫（包含DNA）。

3.利用數(shù)字孿生技術(shù)，開展基因資源的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研究。