马铃薯种质资源共享平台设计与实现

张 莉，王福建

(中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081)

0 引言

马铃薯(SolanumtuberosumL.)属茄科，又名土豆、山药、洋芋、荷兰薯等，是世界上第4大粮食作物，仅次于水稻、小麦、玉米。我国是世界上马铃薯生产大国，2017年全国种植面积560万hm2，年总产量达9 682万t，产量占世界总产量的约1/4[1-2]。马铃薯是我国重要的粮菜兼用和工业原料作物，对国民经济的发展起着重要的作用[3]。优良的品种是农作物获得优质高产的最基本生产资料，而优异的马铃薯种质资源是优良品种选育和遗传学研究的基础，为此世界各国都非常重视种质资源的搜集、保护和数据库建设，如国际马铃薯中心(International Potato Center，CIP)、美国马铃薯基因库(National Research Support Project-6，NRSP-6)、荷兰遗传资源中心(The Centrefor Genetic Resources，the Netherlands，CGN)、德国马铃薯种质资源库(The IPK Potatocollections at Gross Luesewitz，GLKS)等。近些年我国各研究单位也加紧了对马铃薯种质资源的收集、引进和保存，建立了相应的数据库。如贵州马铃薯种质资源数据库、克山马铃薯种质资源库管理系统、湖北省马铃薯种质资源库、国家农作物种质资源平台等。

对国内种质资源数据库的结构、检索分类，描述的规范性、完整性、准确性，以及信息共享性等方面进行调查分析，发现如下一些问题。国内马铃薯等种质资源保存分散，缺乏保存完整的马铃薯种质资源大库；国内虽然对大部分资源进行了农艺性状、抗性、品质等方面评价鉴定，但相对粗放，缺乏健全完整的种质资源大数据信息；各地马铃薯种质资源数据库因建库时间久远，造成了信息兼容性较差，不能共享，资源材料的血缘关系混杂，甚至有些数据库不能运行；种质资源信息大部分不完整，使用者对于每份资源很难得到全面的信息，不断重复鉴定评价，浪费大量人力、物力、财力；大部分种质资源信息缺乏整个作物生育期的完整图片资料。因此，构建国家马铃薯种质资源大数据库系统，建立资源统一标识、规范性描述，对收集、保存的种质资源进行有效信息化管理，提供集成查询服务、数据分析服务，推动国家马铃薯种质资源的共享和利用，提高种质资源的利用率和效益显得尤为重要。

1 共享平台设计

1.1 设计目标

以中国农业科学院蔬菜花卉研究所、国际马铃薯中心亚太中心、湖北马铃薯种质资源库、黑龙江克山国家马铃薯试管苗种质库马铃薯种质资源库数据为基础，运用现代的信息技术、计算机技术和编程技术，对原有服务模式整合、改进、延伸和创新，构建国家薯类作物研究中心马铃薯种质资源数据库，提供集成查询服务、个性服务、数据分析服务、追踪性服务和合作创新服务模式，推动马铃薯种质资源的共享和利用，提高种质资源的利用率和效益，为实现马铃薯种质资源标准化描述、信息化管理提供一种规范化的强大管理工具。

1.2 系统工作原理和模块框架

系统工作原理如图1所示[4-5]。系统模块框架如图2所示[5]。

1.3 系统开发环境

采用Microsoft VB 6.0中文版编程语言，设计可视化易操作的界面，结合育种家、种质资源管理专业人员的经验，开发系统。选择数据库的原则是该数据库既要具有良好的安全性、可移植性和较快的数据查询功能等，还要考虑系统用户使用的方便性等。目前，市场上比较流行的数据库系统有Oracle、SQL Server、Sybase、MySQL、Access等，综合要完成的数据库管理存储功能和系统未来使用者的实际情况，选择SQL Server，其在通用性、安全性、价格等方面有一定优势，广泛应用于中大型数据库建设要求。

图1 系统工作原理Fig.1 System working principle

图2 系统模块框架Fig.2 System module framework

2 各系统模块功能

2.1 客户端系统模块

注册登录模块：用户需要注册登录后才能使用前台客户端全部功能。

主界面模块：软件与用户交互的最直接层，引导用户完成相应的操作，起到向导的作用。主要包括标题栏、工具栏、选择菜单、软件版本信息等。

种质资源数据查询模块：可多组合、跨性状、准确地进行查询，用户以获取需要的信息。

种质资源照片模块：按照作物统一编号浏览查询某份种质资源在各个生育期的匹配图片信息。

种质资源数据统计分析模块：包括种质资源类别分析和种质分类汇总分析。种质资源类别分析是针对作物种质资源的某一性状进行统计，统计数据以表或图形式展现。种质分类汇总是指数据库中收录了哪些作物种质资源及其份数[6]。

种质资源获取模块：注册用户网上填写种质资源获取申请表，提交申请，审核通过后签署《农作物种质资源获取协议书》，通过农作物种质资源无偿或有偿的分发，完成种质资源的实物共享。

种质资源引种反馈模块：用户将获取的种质资源使用情况反馈给种质资源提供者。反馈信息包括利用获取资源育成的品种创新资源，以及此种质资源在其他研究利用及产生的经济和社会效益情况。

2.2 后台维护系统模块

用户权限设置模块：实现不同的操作人员权限级别不同，分为系统管理员、高级操作员、普通操作员、普通用户。

种质资源数据和图片管理模块：种质资源信息管理会不断面临着数据修改和更新工作，以保证数据的准确性和完整性[7]。对于该系统而言，数据的录入、修改和删除等工作主要依托数据库后台管理平台进行相关操作。

数据信息补充、修正模块：对引种者反馈的种质资源信息与资源库保存的信息比较，进行数据修改和更新工作，以保证数据的准确性和完整性。

数据备份与恢复：实现数据备份与恢复。

3 功能实现与运行

3.1 注册登录模块

注册登录模块主要是对用户相关信息和访问模块的权限进行统一管理。首先调用API函数判断程序是否重复运行，然后采用SQL语句判断权限表中用户信息(姓名、单位、电话、信箱)是否存在或用户名、密码是否正确，流程如图3所示。

图3 登录流程Fig.3 Login flowchart

3.2 种质资源数据查询模块

将种质资源分为基本信息、植物学特征、生物学特性、品质性状、抗病性信息共5个库表，检索采用SQL语句“select统一编号，引种编号，品种名称，外文名，亲本组合，原产地，资源类型，选育单位，选育年份，保存单位from seedjcxx where‘&namerq &’…and统一编号in(select统一编号from seedzwx where‘&name1 &’…)and统一编号in(select统一编号from seedswx where‘&name16 &’…)… order by统一编号asc”，以嵌套的形式实现多组合、跨性状、准确快速地检索，同时可有效地防止数据沉余[8]。如图4所示，用户可选择单一条件进行简单查询，如根据“种质编目号”“资源类型”或“来源地”等进行筛选。当简单查询不能满足用户需求时，用户则可选择多个查询条件进行查询。窗口中显示的即为符合条件的目录项，选择其中一条信息，点击“查看详细信息”按键即可了解种质资源的详细情况。

3.3 种质资源数据统计分析模块

其基本统计分析主要是对不同种质资源库中保存的不同资源数量进统计分析，关键技术采用SQL语句“select保存单位，资源类型，count(统一编号)as资源份数from(select distinct保存单位，统一编号，资源类型from seedjcxx)GROUP BY保存单位，资源类型”，如图5所示。一维统计分析是对作物种质资源的某一性状分类统计和不同库中某一性状的分类统计，关键技术为“Select seedjcxx.保存单位，‘&opt &’，count(‘&opt &’)as份数from‘&dtb &’，seedjcxx where‘&opt &’and seedjcxx.统一编号=‘&dtb &’.统一编号GROUP BY seedjcxx.保存单位，‘&opt &’”，如图6所示。二维统计分析是对种质资源某3个性状的交叉统计分析，关键技术为“transform count(‘&MyDz &’)select‘&MyDh &’from seedzyk where‘&MyDh &’group by(‘&MyDh &’)pivot‘&MyDl &’”，如图7所示。结果以表或图形式展现，使种质资源管理人员和用户及时准确了解利用资源库的资源[8]。

图4 资源检索模块Fig.4 Resource retrieval module

图5 资源库保存数量分析模块Fig.5 Analysis module of number of resources banks

图6 性状分类统计模块Fig.6 Character classification statistics module

图7 性状交叉统计分析模块Fig.7 Three cross-character statistical analysis module

3.4 种质资源获取模块

注册用户网上填写种质资源获取申请表，提交申请，审核通过后签定《农作物种质资源获取协议书》，通过农作物种质资源无偿或有偿的分发，完成种质资源的实物共享，流程如图8所示。

图8 种质资源获取模块Fig.8 Germplasm resource acquisition module

3.5 种质资源引种反馈模块

用户将获取的种质资源使用情况反馈给种质资源提供者，反馈信息包括利用获取资源育成的品种，创新资源，以及此种质资源在其他研究利用及产生的经济和社会效益情况。

3.6 种质资源后台数据、图片维护模块

种质资源数据库的所有数据均可通过后台管理系统界面添加，数据根据《国家马铃薯种质资源描述数据标准》多采用下拉列表选择输入(图9)，包括基本信息、植物学特征、生物学特性、品质性状、抗病性信息等[9]。若某一项数据出现空值时，可选择不输入数值或者直接不选择均可。对于已完成录入工作的种质资源数据，若发现输入的数据有误或者数据有变化，要对数据进行修改，则可点击需要修改的数据记录项，完成修改工作。在种质资源管理平台的数据列表中，选择需要删除的数据记录，删除即可，为防止误删，设置弹出提示对话框，确认删除完成操作。图片采用Stream对象可实现二进制图片的快速存读。

图9 系统后台维护模块Fig.9 System background maintenance module

3.7 数据信息补充、修正模块

对引种者反馈的种质资源信息与资源库保存的信息比较，进行数据修改和更新工作，以保证数据的准确性和完整性，如图10所示。

图10 信息补充、修正模块Fig.10 Information supplement and correction module

3.8 用户权限模块

进入系统设置，选择操作员级别，在操作员列表中选择用户名，然后设置权限相应信息，确定即可完成权限设置，如图11所示。用户名不同，权限不同[10-11]。

图11 用户权限模块Fig.11 User module

4 结束语

马铃薯种质资源共享平台系统，在后台数据增加、修改、删除中调用自定义函数判断标识位数和序号，读取所需要的部分字符串，根据上一序列号智能生成种质资源新标识，减少大量、烦琐、枯燥、易错的标识录入工作。标识、农艺性状、图片智能匹配，多图片同时每行以2G长二进制形式存读。种质资源数据库表分为基本信息、植物学特征、生物学特性、品质性状、抗病性信息5个库表，以统一标识视为检索唯一的字段，采用内嵌链接方法将5个库表关联起来，实现马铃薯种质资源数据信息的多组合、跨性状、精确快速集成查询，减少多次层级查询及数据沉余，提高运行速度。在统计分析模块中引入数理统计算法来实现资源库保存资源、资源某一性状的分类统计和三性状交叉统计分析。模块代码采用大量公共变量与变量复杂的嵌套形式和算法来缩减大量重复的源代码，精简代码，提高速度，减少错误。系统整体布局和窗体界面设计新颖，所有窗体简洁、可视化，操作方便。