国际挑战计划项目集成育种平台研究进展

张俊灵， 孙美荣， 张东旭， 闫金龙

(山西省农业科学院谷子研究所，山西长治 046011)



国际挑战计划项目集成育种平台研究进展

张俊灵， 孙美荣， 张东旭， 闫金龙

(山西省农业科学院谷子研究所，山西长治 046011)

摘要在介绍国际挑战计划项目(GCP)概况的基础上，综述了集成育种平台(IBP)的研究进展，并对其未来发展进行了展望。集成育种平台是国际挑战计划项目建立的一个基于互联网的一站式服务平台，其初衷是无偿地为传统和现代育种活动提供先进的育种技术和优质服务，加速作物新品种的选育进程，应对全球不断增长的粮食需求。集成育种平台提供完整的植物育种决策，如软件工具(育种管理系统)、网上论坛、超过10种作物的产品和信息(包括诊断标记和性状手册)，其中育种管理系统(BMS)是集成育种平台的核心产品。育种管理系统是一套综合的相互兼容的应用软件，能帮助育种者和研究者管理科研项目，搜集、存储和分析研究数据。集成育种平台(IBP)的使用将成为突破传统育种瓶颈的有效途径。

关键词国际挑战计划；集成育种平台；育种管理系统；育种工具

Research Progress of the Integrated Breeding Platform of Generation Challenge Programme

ZHANG Jun-ling, SUN Mei-rong, ZHANG Dong-xu et al (Millet Research Institute, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Changzhi, Shanxi 046011)

Abstract Based on introducing the general situation of Generation Challenge Programme (GCP), research progress of Integrated Breeding Platform (IBP) were reviewed; and its future development was forecasted. IBP is a one-stop service platform based on internet, which is established by GCP. IBP is established to provide advanced breeding technology and high-quality service for the traditional and modern breeding activities, and to accelerate the breeding progress of new crop varieties. IBP offers complete plant breeding solutions, such as software tools (the Breeding Management System), online forums, products and information for over 10 crops (including diagnostic markers and trait dictionaries). Breeding information management system (BMS) is the core of IBP products. BMS is a comprehensive suite of mutually compatible software applications that together to help breeders and researchers manage their projects and collect, store and analyze their research data. Application of IBP will become a effective way to break through the traditional breeding bottlenecks.

Key wordsGeneration Challenge Programme; Integrated Breeding Platform; Breeding Management System; Breeding tools

传统育种大都离不开“用眼看、用秤称、用尺量、用牙咬”等检测手段和方法，能否选育出一个理想的作物品种，离不开育种者多年的育种经验。突破传统育种模式，运用现代科学技术建立一套全新的育种方法，一直是国际农业研究磋商组织(CGIAR)关注、研究的课题。2003年国际农业研究磋商组织依托于墨西哥国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)成立了一个挑战计划项目(GCP)[1]，旨在整合国际农业研究磋商组织各研究中心以及各成员国的研究力量，利用分子生物学技术，在全球范围内开展作物遗传资源的研究方法和利用途径研究，以提高作物育种效率，提高干旱和其他不良环境下的作物产量水平，保障发展中国家粮食安全[2]。集成育种平台建设项目，作为挑战计划项目(GCP)的一个5年期研究课题，于2009年6月启动，在比尔和美琳达·盖茨基金会的支持下，各国科学家联合攻关，针对育种中常用的作物信息数据和数据库、统计分析工具和相关服务等，建立了一个可持续的、基于互联网的一站式服务平台——集成育种平台(Integrated Breeding Platform，简称IBP)[3]，开发了一个数据信息管理系统(Breeding Management System,BMS)，以方便育种专家们有效地利用各种作物信息和分析工具，改变作物育种仅靠“眼睛、尺子、秤”的传统检测方法，从而提高育种工作成效。笔者介绍了国际挑战计划项目(GCP)概况，综述了集成育种平台(IBP)的研究进展，结合该平台在我国面临的问题，对集成育种平台的发展提出展望。

1国际挑战计划项目(GCP)概况

1.1国际挑战计划项目简介2003年8月国际农业磋商组织(CGIAR) 依托于墨西哥国际玉米小麦改良中心成立了一个挑战计划项目(网址为http://www.generationcp.org)，为期10年，年度预算约1 500～1 700美元，由比尔和美琳达·盖茨基金会及国际农业研究磋商组织的资助者(英国、欧盟、瑞士、美国、世界银行)共同资助。挑战计划项目(GCP)旨在整合国际农业研究磋商组织各研究中心以及各成员国的研究力量，利用分子生物学技术，在全球范围内开展作物遗传资源的研究方法和利用途径研究，以提高作物育种效率，提高干旱和其他不良环境下的作物产量水平。GCP实施目标地区为非洲、东南亚、拉美等干旱地区的发展中国家，主要支持的作物有谷类作物(玉米、水稻、高粱、小麦)、豆类作物(菜豆、鹰嘴豆、蚕豆、花生)、根茎作物(木薯)。

1.2中国参与GCP项目情况简介自2003年起，中国农业科学院作物研究所研究员王建康率领的团队参与了国际挑战计划项目，进行育种新方法和新工具的研究。在集成育种平台建设中以王建康研究员为首的团队成员主要从事育种模拟软件的开发，即通过计算机模拟软件，根据小麦、玉米等作物的特点，模拟作物育种过程，帮助育种专家进行方法决策。2007年中国农业科学院作物科学研究所景蕊莲研究员率领的团队争取到了GCP项目，项目名称为“Integrating marker-assisted selection into the conventional breeding procedure for improvement of wheat (TriticumaestivumL.) in the drought-prone areas of Northern China”，项目编号为G4007.06，执行期为2007年8月~2010年7月，主要参加单位有中国农业科学院、宁夏大学、山西省农业科学院、西北农林科技大学。2010年景蕊莲研究员再次争取到了GCP项目，项目名称为“Wheat breeding and selection strategies to combine and validate QTLs for WUE and heat tolerance in China”，项目编号为 G7010.02.01，执行期为2010年4月~2015年12月，主要参加单位有中国农业科学院、山西省农业科学院、河北农林科学院旱作农业研究所、新疆农业科学院核技术生物技术研究所[4]。

2集成育种平台(IBP)研究进展

2.1集成育种平台研发背景和目标挑战计划项目(GCP)的主要研究目标为利用作物的遗传多样性和先进的植物育种技术科学改良作物，保障发展中国家粮食安全。2009年6月比尔和美琳达·盖茨基金会启动了一个5年期的GCP研究项目“集成育种平台(IBP)建设项目”，其初衷是针对育种中常用的作物信息数据和数据库、统计分析工具和相关服务，建立一个可持续、基于互联网的一站式服务平台，无偿地为传统和现代育种活动提供先进的育种技术和优质服务，以方便发展中国家的植物育种专家有效利用各种作物信息和分析工具，加速作物新品种的育种，应对全球不断增长的粮食需求。

集成育种平台的目标是希望通过提供一些特定的信息、能力建设机会、作物特定的专业科研知识来支持全世界育种专家更好地进行育种实践，旨在为发展中国家在技术与科研之间建立桥梁，以缩短培育和改良品种的时间。其长远目标是在下一个5年内提高全世界发展中国家多种植物育种程序的效益和效率，短期目标是中小型育种机构通过使用一个集成的、高性能的育种信息和管理系统提高植物育种计划的效益和有效性。

2.2集成育种平台简介IBP是一个为全程育种免费提供集成软件工具和服务的开放网站，其网址是https://www.integratedbreeding.net。在该网站注册的用户可以获得支持和咨询服务，如诊断标记和种质资源、培训资源、与同行讨论相关问题等，其核心的产品是育种信息管理系统(Breeding Management System，BMS)。

尽管GCP项目和IBP建设项目已到期，但该平台仍然是一个长期的、可持续的、非盈利的组织，但由于其全系列产品、服务等活动需有一个总体的支出，因此在经济发达国家的私营企业、大学和政府机构需支付订金才可使用BMS。

2.3集成育种平台的主要内容IBP的主要内容有：提供可免费下载使用的育种信息管理系统和更多合作者开发的工具；共享10种作物信息资源数据库，包括表型、基因型、系谱以及标准化性状手册等，共享经过验证的特征标记(如耐铝、磷高效、抗病、抗旱等)和种质资源；开展人力资源能力建设活动、提供BMS培训材料；提供不同作物研究社团的技术支持；分享相关的新闻和事件。

2.3.1育种信息管理系统。BMS是通过集成育种平台开发的一个信息管理系统，是集成育种平台的核心产品，是一套综合的相互兼容的应用软件程序。BMS包含了现代育种所需的工具、加载种质特性描述的作物数据库、教程、说明和其他帮助使用者安装和使用的文档。其运行可以有效地帮助育种家和研究人员管理科研项目，收集、存储和分析研究数据。BMS工具可支持多种育种策略，如传统育种、分子标记辅助选择、分子标记辅助轮回选择等。BMS可作为一个统一的大的育种系统工具使用，也可作为独立的工具使用。

2.3.1.1育种信息管理系统运行条件。要运行BMS,需要一个运行Microsoft Windows操作系统(XP或其他最新版本)的个人电脑，其在Web浏览器中运行(例如Internet Explorer或Firefox),但不需要连接网络。

最低系统要求：2 GB RAM、1 GHz双核、250 GB硬盘。

推荐系统需求：4 GB RAM、1 GHz双核、500 GB硬盘。

支持的浏览器：Internet Explorer 8及以上、Firefox 20及以上。

2.3.1.2育种信息管理系统工作台。育种信息管理系统工作台是BMS的用户界面，通过这个界面，用户可以启动所有的育种工具，并能访问相关的作物数据库。从工作台的主页，用户通过直接访问一个指定的项目，大致浏览项目及其内容。在工作台的主页也可以创建新的项目，浏览和打开已经启动的项目。用户可以对项目的成员、育种地点、育种方法等基本信息进行录入。

2.3.1.3育种信息管理系统主要组成。育种信息管理系统工作台包含育种专家所需的用于管理数据、分析数据以及做出决策的所有工具，它以导航面板的方式整合所有的工具，位于工作台的左侧，主要组成有4部分内容，分别为“Breeding activities”“Information management”“Statistical analysis”“Marker assisted breeding”。

第一部分：Breeding activities。育种活动管理(Breeding Activities)是BMS的核心功能，在导航栏内点击“Breeding Activities”将弹出“Manage Lists”“Make Crosses”“Manage Nurseries”和“Manage Trials”等工具,通过运行这些工具不仅可设计参试材料、设计杂交和后代选育，还可进行田间试验设计和试验进程管理，使育种工作流程化、规范化。

第二部分：Information management。在导航栏内点击“Information management”将弹出“Import Germplasm”“Manage Genotyping”“Browse Studies”“Head to Head Query”“Adapted Germplasm Query”“Managge Ontologies”“Trait Donor Query”等工具，通过运行这些工具可以搜索、浏览程序和数据库，并且在管理权限下可对数据库进行编辑、备份和恢复。运用信息管理，一方面可以根据种质的名称、ID或特性直接检索种质及其系谱，另一方面可以查看管理系统中基因分型数据和标记信息，有利于进行育种决策。

第三部分：Statistical analysis。在导航栏内点击“Statistical analysis”将弹出“Single Analysis”“Multi-Site Analysis”“Multi-Year Multi-Site Analysis”“Breeding View Standalone for QTL”等统计分析工具，这些统计工具在Breeding View (BV)可视化的图形用户界面下运行，在BV数据分析平台中，可进行单点分析、一年多点分析、多年多点分析、QTL定位及效应分析。

在BV数据分析工具中，可从项目数据库中自动选择数据，也可导入外部数据。数据导入完成后，根据试验设计，通过一次运行统计分析流程有效地分析多个表型数据集，直接生成统计分析报告。从统计分析报告中可查看每一个性状的统计汇总信息和混合模型结果，查看主成分分析双柱图、残差直方图、正态拟合图等，还可以生成综合报告，在数据库中保存并导出统计结果。

第四部分：Marker assisted breeding。在导航栏内点击“Marker assisted breeding”将弹出“Molecular Breeding Decision Tool”“Molecular Breeding Design Tool”“Molecular Breeding Planner”等工具。利用这些工具可进行标记辅助轮回选择、标记辅助回交育种、标记辅助基因聚合，帮助育种家为特定的育种目标制定育种计划和决策，包括群体类型和最优群体数量，从而利用遗传标记提高育种效率。

2.3.2作物信息资源数据库。

2.3.2.1作物性状手册。对于育种数据，往往由于在试验中记载标准不规范，使得调查数据失去了其共享性和可利用性。因此，GCP项目通过对作物社团各种作物多名育种家咨询，经过对起始性状列表的确认、性状的分级和分析、重要育种性状的描述等几个阶段，建立了玉米、水稻、小麦、高粱、花生、蚕豆、木薯等10种作物的性状手册，手册涵盖了育种程序中经常测量的性状。

2.3.2.2作物数据库和主导研究机构。依据集成育种数据管理原则，要求高标准的品种和系谱鉴定、调查数据的规范性、田间和试验数据的整合等，集成育种平台建成了玉米、水稻、小麦、高粱、花生、蚕豆、木薯等10种作物的数据库。其主导研究机构有国际玉米小麦改良研究中心、国际半干旱作物研究中心、国际热带农业研究所、国际水稻研究所、非洲水稻研究所等。

2.3.3人力资源能力建设。人力资源能力建设是GCP研究得以长期可持续发展的关键。它坚持“今天的工具为明天的作物”这一理念，对世界各地的育种者进行推广。通过举办培训班、开放日活动和发布培训教程，加强能力建设和传播知识，培养全面优秀的育种实践者，促进育种管理系统(BMS)的集成和推广。

2.3.3.1举办集成育种多年课程培训。在GCP项目育种平台建设中，集成育种多年课程(Integrated Breeding Multi-Year Course)培训是平台人力资源能力建设主要内容之一。集成育种多年课程培训的重点是：开发一个在试验设计、数据收集和管理、数据分析和决策等方面有效集成的育种系统，使各种信息工具和软件开发的应用程序在集成育种平台下为现代育种所应用。

集成育种多年课程培训的实施计划为3年(2012～2014年)，每年3期，每期学员在60人左右，每期培训时间为2个星期。培训学员是GCP项目通过网络进行问卷调查挑选的。学员需具备的条件为：非洲和亚洲发展中国家的育种者，有一定的英语水平，有一定的合作项目。培训目的：使学员能够获得实施一个有效的综合育种方案所必要的技能。

第一期培训(2012年)在荷兰的瓦郝宁根举办，由瓦郝宁根大学和研究中心协办。培训内容为数据管理、分子育种、统计3个模块。数据管理培训的主要内容为田间表型数据的收集和管理。分子育种培训的主要内容为分子育种的主要方法。统计培训的主要内容为稳定性分析的基本原理和方法、田间设计的主要方法等。培训中老师的讲解和学生的实际操作结合的非常紧密，在练习中存在的问题得以及时反馈，为软件的开发提出了宝贵的意见和建议。

第二期培训(2013年)在西班牙萨拉戈萨举办，由地中海农业研究所协办。培训分数据管理、分子育种、统计3个模块。在第一期培训的基础上，针对数据管理和统计两个模块使用中存在的问题，对软件进行了修改，并在分子标记模块上开发了分子育种决策工具(Molecular Breeding Decision Tool简称Optimas)、分子育种设计工具(Molecular Breeding Design Tool简称MBDT)、基因数据管理系统(Genotyping Data Management System简称GDMS)等分析软件。

第三期培训(2014)仍在西班牙萨拉戈萨举办，由地中海农业研究所协办。培训内容为育种信息管理系统(BMS)，该系统是经过前两期对开发的3个模块多个软件的不断使用、修改，再使用再修改的基础上，形成一个为育种者使用的较为完善的育种信息管理系统。

2.3.3.2举办开放日活动。为了加大集成育种平台对外开放程度，GCP项目组会同项目参加国，举办集成育种平台开放日活动。如2012年6月8日，在中国农业科学院主持下，GCP在北京友谊宾馆举办了中国育种家开放日活动，用中文向中国育种专家介绍集成育种平台(IBP)网站、作物信息系统、电子田间计划书等实用育种工具。

2.3.3.3培训教材。集成育种平台网站提拱有PPT、操作指南等培训教材。

3集成育种平台在我国面临的问题

尽管集成育种平台能够为育种者免费提供集成软件工具和相关服务，但该平台在中国还没有得到广泛关注和应用，主要表现在：一是参与国际挑战计划项目的人较少，国内育种家对该项目和该平台了解有限；二是受语言障碍影响，全英文版的育种信息管理系统使育种者在学习和使用中遇到很大困难。

4集成育种平台(IBP)发展展望

目前，集成育种平台(IBP)在已建立4个区域中心的基础上，还将在世界各地建立9个区域中心，其中包括中国的北京，区域中心作为IBP的特许机构，其将为自己所在区域的育种专家提供服务和支持，包括育种信息管理系统(BMS)的技术支持、模块化培训(数据管理、统计分析和分子育种)和专业服务。区域中心在中国的建立，将会使中国育种专家从集成育种平台(IBP)获得相关专业知识，将会进一步加快育种信息管理系统的汉化进程，使育种信息管理系统在中国得以广泛应用成为可能。

集成育种平台育种信息管理系统(BMS)是研究人员将所有开发出来的软件都集结到一个工作台上，其不但能模拟各种植物的组配方式，还能模拟不同的选择方法。育种专家在开展田间试验之前，可利用各种遗传信息对杂交组合的表现、后代选择效果以及整个育种过程进行模拟，提出最佳的亲本选配、杂交和后代选择策略，从而使亲本选配、后代预测和选择趋于科学化，提高育种过程中的可预见性和效率。

分子育种是世界各国今后育种的一个方向[5-6]，集成育种平台(IBP)的发展能够较好地为分子设计育种服务，集成育种平台的使用将会成为突破传统育种瓶颈的有效途径。

参考文献

[1] 白羊年.全球挑战计划(The Generation Challenge Programme):为资源贫乏地区培育植物多样性的全球性研发网络[J].分子植物育种,2006(5):712.

[2]“集成育种平台”IBP支持中国进入数字育种[EB/OL].(2012-07-16)[2015-11-20]. http://nongye.ce.cn/2012/nyyw_0716/8573.html.

[3] 杜晓萌. “集成育种平台”问世 引来育种全科学[EB/OL].(2013-05-29)[2015-11-20]. http://www.agrisources.com.cn/contents/4544/429691.html.

[4] 昌小平.作物所“亚洲小麦抗旱性遗传改良”国际挑战计划项目启动会在北京召开[EB/OL].(2010-03-03)[2015-11-20]. http://www.caas.net.cn/ysxw/kyjz/3732.shtml.

[5] 黎裕,王建康,邱丽娟,等.中国作物分子育种现状与发展前景[J].作物学报,2010,36(9):1425-1430.

[6] 袁建霞,董瑜,张博,等.从文献计量角度分析作物分子标记辅助育种国际发展态势[J].科学观察,2012,7(2):24-32.

收稿日期2015-12-16

作者简介张俊灵(1970-)，女，山西屯留人，副研究员，从事小麦遗传育种与新品种示范推广工作。

基金项目国际挑战计划项目(G7010.02.01)；山西省科技攻关项目 (20130311001-9)；国家“863”计划项目 (2011AA100501)。

中图分类号S 126

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)03-298-04