辽宁农业基因资源大数据平台设计与实施

◎孟未来 陈爱国 吴禹

一、项目背景

近几年，国家陆续出台了一系列种质资源基因多样性保护的相关政策，特别是2021 年中央一号文件《中共中央、国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》发布和第三次全国种质资源普查调查活动的开展，提升了全民的基因资源保护意识，使农作物种质资源库信息化建设进入了新的发展阶段。

辽宁省农业基因资源丰富，涵盖主要农作物、海洋渔业、淡水水产、经济林、果树、花卉、微生物等等，但研究单位机构多导致农业基因资源保存分散；数据库结构差异大；资源性状采集信息不完整；共享机制不完善等，以上因素导致我省基因资源共享服务水平和有效利用率偏低。农业现代化，种子是基础，但种质研究，信息先行。资源的妥善保存是资源有效利用的前提，现代化种质库是实现资源持久保存的根本保证［1］。建设数字化基因资源平台是夯实种质资源基础的关键，信息化参与程度决定了种质资源的研究开发和共享利用效率。辽宁省农科院种质库2009 年开始运行，建筑面积1000 平方米，库容量为25 万份，是中国农科院作物研究所国家农作物种质资源共享平台中心认定的全国农作物种质资源综合性服务14 个子平台之一。2011 年辽宁省农科院根据种质库日常出入库管理自主设计开发了LGRIS（liaoning germplasm resources information system），该系统实现了种质库库内管理与库外发布的联动管理。2012 年通过了科技厅的科技成果鉴定，鉴定意见为国内领先水平。多年来，系统运行稳定，共收录16 种农作物的31000 份资源数据。为我省农作物种质资源管理和引种共享、为农业科研、育种发挥了重要作用。LGRIS 一代系统已经运行多年，随着库存量的逐步增多，功能上已经不能满足种质出入库和共享发布的需求，并且未包含非主要农作物如果树、畜禽、林草、海洋、淡水、柞蚕、微生物等基因资源，已经不符合建立大农业、大数据平台的要求。2021 年辽宁省农科院设立科研专项，开始设计研发辽宁农业生物基因资源共享管理平台-LGRISS。我省各级政府部门高度重视种质资源工作，沈阳市委市政府积极探索乡村振兴的“沈阳模式”-院地合作，从保障粮食安全、种业安全的战略高度，2022 年与辽宁省农科院在农作物种质资源收集与研究方面开展共建工作，相关政策及专项资金将助推我省农业生物基因资源共享管理大数据平台建设的步伐。

二、平台建设目标

遵循国家种质库作物数据描述规范，设计开发集电脑端、微信小程序端、智能手机APP 三端合一的多维度、多渠道覆盖的辽宁农业生物基因资源共享管理平台。大数据平台以辽宁省农科院种质库主要农作物数据为主，以省内其他资源库圃为辅，整合我省非主要农作物基因资源数据如海洋渔业、淡水水产、牧草畜禽、经济林、果树、微生物、柞蚕、蔬菜、花卉、牧草等为一体。通过“物理分散，逻辑统一”的方式进行资源库圃建设与管理［2］。通过种质资源出入库管理、田间试验管理、云监控管理、多媒介共享发布、异地库圃远程提交、GIS 统计分析等实现辽宁省农业基因资源数据的广泛化采集、标准化管理、精准化存储和多维度共享，并利用大数据技术进行算法和数据库的优化，实现农业生物基因资源数据的可视化分析，面向管理部门、科研人员、育种工作者实际需求，最终建成高效、便捷、规范、统一的辽宁省大农业生物基因大数据服务平台，并与国家种质资源共享服务平台接轨，达到种质资源日常精准管理、广谱共享和高效利用的目的。

三、平台技术路线

系统采用B/S 架构，数据库部署在辽宁省政务云，采用https 传输。编程环境及语言采用visual studio、jsp、C#，数据库为my sql。框架功能如下：

1.种质库管理模块：（1）包含资源入库流程：资源提交、查重、生命力检测数据、资源编目、性状信息导入、中长期库位分配、入库审核、入库单文档生成、diable 二维码打印、查询检索、历史原数据导入。（2）资源出库流程：共享端提交表单申请、管理员审核、出库审核、出库单文档生成。（3）日常管理：角色权限管理、库位空间模拟、工作人员巡库打卡、种质库云监控融合、资源预警、田间性状调查、gis 统计显示、出入库统计分析信息。

2.异地库圃远程管理：CA 认证登陆，针对非主要农作物资源，基因资源数据提交，资源实物异地库圃保存。

3.资源展示共享模块：采用https 传输，包含登陆/注册、资源库圃云VR、查询检索、资源索取（引种利用证明表单pdf 生成）、索取资源物流追踪、线索提交、基因资源系谱分析、利用数字孪生技术，建设基因资源的虚拟现实展示系统、高清资源图片库、资源链接、资源专家库、资源前沿资讯等主要功能模块。

4.微信小程序：资源查询、资源获取、资源线索提交（图文）、资源库圃云VR 资源最新资讯、资源专家库、互动反馈模块，库管工作人员扫码管理功能。

5.手机APP：资源查询检索、基因资源获取、引种单生成、资源追溯回馈、资源实时快递状态、特异资源线索提交、资源库圃云VR 资源最新资讯、农作物性状田间调查上传、基因资源专家库、互动反馈模块、库管工作模块。

基因资源管理流程如下图：

四、平台数据安全性保障

1.采用https 传输，管理系统端拟用CA 验证身份，按照设定有效操作时间间隔，超时自动推出重新登录。

2.角色权限设定分明，共136 权限。

3.完整细密的日志log，确保所有环节操作都可以追溯。

4.服务器部署在辽宁省政务云上，硬件安全有保障。虚拟服务器只开放两个网络端口，其余端口都关闭。

五、平台人性化功能

1.动态冗余设置：作物类别、数据字段、仓库设置，后期都能根据实际情况设置，进行增删改操作。

2.系统隐含校验：时间、重量、发芽率、发芽势、特定性状数据等。

3.模板批量导入：系统全过程环节都有模板导入功能，提升效率。

4.高度集成：库房温湿巡检、云监控、库位模拟、资源预警、出入库审核表单生成等功能融为一体。

5.报表生成：系统流程申请自动生成入库单、出库单、引种利用证明三个表单，确保种质资源提交者和索取资源的数据保存和管理。

六、结束语

相对于LGRIS 的一代系统，LGRISS 作为辽宁省农科院种质库基因资源管理的二代系统，增加的S 包含4s：save，意即二代系统将加强收集、保存的力度和广度；Share，系统更加注重共享利用的覆盖面和效率；service，侧重系统的使用便捷性，向科研人员和管理人员服务倾斜；security，更加侧重系统和数据安全。4s 设计理念使LGRISS 数据库涵盖的基因资源范围更广，多信息端的管理方式和获取方式使日常管理、信息传播和基因资源共享利用效率大幅提升，有效推动保障我省“农业基因芯片”研究高质量发展。同时将目前已积累的大量关于作物种质资源遗传多样性、相关目标性状基因等分子标记信息乃至基因序列信息与现有平台相联合，这是进一步利用信息技术实现科技创新和突破的新支撑点，也必然是今后信息共享体系的重要内容［3］。LGRISS 系统稳定运行后将从以下三个方向继续加深基因数据的整合和大数据挖掘。

1.开发农作物基因资源育种系谱分析系统。

2.建立基因资源高清图库（包含DNA）。

3.利用数字孪生技术，开展基因资源的虚拟现实系统研究。