小麥數(shù)字化育種系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

侯亮，王新棟，齊浩，孫海芳，謝華峰，呂亮杰*

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟(jì)研究所，河北 石家莊 050051；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所，河北 石家莊050035；3.河北省種子總站，河北 石家莊 050000）

現(xiàn)代育種技術(shù)體系龐大、復(fù)雜，需要多個學(xué)科協(xié)作和多種技術(shù)支撐。當(dāng)前的育種過程主要是依據(jù)育種經(jīng)驗(yàn)，多采用人工記錄和評價的方式[1～3]，人力和時間成本較高；育種數(shù)據(jù)整合程度低、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一，極大地限制了數(shù)據(jù)價值的挖掘和育種效率的提高，迫切需要對作物育種進(jìn)行數(shù)字化管理。數(shù)字化是一門依托網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和人工智能技術(shù)，對研究對象加以規(guī)范、描述，便于研究人員進(jìn)行精確管理、評估和決策的科學(xué)。數(shù)字化育種主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分類與標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)存儲與管理、雜交組合與后代選擇、試驗(yàn)設(shè)計、系譜分析、育種決策、種質(zhì)資源管理等方面。當(dāng)前我國面積單一作物的軟件平臺建設(shè)還處于打造樣板階段[4]，急需能夠處理大量育種資源信息，提供數(shù)據(jù)管理、共享的數(shù)據(jù)平臺[5]。以小麥為研究對象，運(yùn)用結(jié)構(gòu)化的方法[6～8]，開發(fā)了小麥數(shù)字化育種系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小麥育種流程的數(shù)字化，為育種家提供了一個高效的信息管理平臺，可以促進(jìn)種質(zhì)資源的高效利用，提高育種的目標(biāo)性、時效性、準(zhǔn)確性和效率。

1 需求分析

需求分析是軟件系統(tǒng)開發(fā)的第一步，目的是將用戶需求進(jìn)行分析與整理，分解并逐層細(xì)化復(fù)雜的問題，形成描述完整、清晰、標(biāo)準(zhǔn)的文檔，確定系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能。針對小麥育種的特點(diǎn)，系統(tǒng)需滿足以下需求。

1.1 功能性需求

（1） 實(shí)現(xiàn)小麥育種流程的數(shù)字化，包括材料管理、育種管理、試驗(yàn)管理等模塊。

（2）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、修改、刪除、查詢、分析、導(dǎo)出等功能。

（3）支持?jǐn)?shù)據(jù)的自定義查詢。用戶定義查詢數(shù)據(jù)范圍、數(shù)據(jù)類型，聯(lián)合設(shè)置多重條件，有助于數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)定位。

（4）查詢結(jié)果以表格、文本等形式展現(xiàn)，用戶在查詢結(jié)果中自主選擇數(shù)據(jù)項(xiàng)，生成定制化的數(shù)據(jù)表格。

（5）系統(tǒng)具有完善的用戶權(quán)限管理和系統(tǒng)管理功能，超級管理員、一級管理員定義各級角色并為角色分配權(quán)限，用戶僅允許在相應(yīng)權(quán)限下訪問系統(tǒng)資源；超級管理員可以調(diào)用系統(tǒng)日志，監(jiān)控運(yùn)行系統(tǒng)狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)安全。

1.2 非功能性需求

1.2.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境需求 系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，服務(wù)器端采用Windows Server 2008 或linux 操作系統(tǒng)，瀏覽器端采用Windows7 及以上操作系統(tǒng)。服務(wù)器CPU需達(dá)到雙核4.0 GHz 或以上，內(nèi)存容量16 G 或以上，硬盤空間1 T 或以上。瀏覽器采用Internet Explorer8.0 及以上版本，支持主流瀏覽器。

1.2.2 系統(tǒng)性能需求 小麥育種是一個龐大的系統(tǒng)工程，涉及數(shù)據(jù)項(xiàng)眾多，數(shù)據(jù)量巨大；小麥具有固有的生育規(guī)律，同一性狀在生育期各階段具有不同的表現(xiàn)[9-11]，各階段的數(shù)據(jù)處理具有很強(qiáng)的時效性[12-14]，以上特點(diǎn)決定了育種數(shù)據(jù)具有大規(guī)模、高并發(fā)的特征，要求數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)裝載速度須遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)進(jìn)入速度，滿足每分鐘10 條以上育種數(shù)據(jù)的流量。小麥育種流程與其生理特性嚴(yán)密契合，具有很強(qiáng)的時序性，要求查詢結(jié)果和圖表生成累計時間小于8 秒，便于與后續(xù)育種環(huán)節(jié)的緊密銜接。系統(tǒng)滿足7×24 h 的不間斷運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定、高效。數(shù)字化育種系統(tǒng)是一個開放的工程，需隨時納入新的育種模式，要求系統(tǒng)具有較高的兼容性、可擴(kuò)展性，便于后續(xù)功能模塊的接入。

1.3 設(shè)計約束

系統(tǒng)采用Java8，Microsoft.NET Framework 4.0 進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2019。網(wǎng)絡(luò)傳輸遵循TCP/IP 協(xié)議，系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)時不允許使用動態(tài)端口。系統(tǒng)提供備份管理策略，支持系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫全備份管理、數(shù)據(jù)庫增量備份管理。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字化育種系統(tǒng)的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)繁多，邏輯關(guān)系復(fù)雜，為避免出現(xiàn)代碼糾纏和模塊間依賴，須采用分層架構(gòu)，有效隔離不同的關(guān)注點(diǎn)（Concern Point），主要作用有：將復(fù)雜的業(yè)務(wù)和技術(shù)分離，提高育種流程的邏輯性；簡化系統(tǒng)設(shè)計，使開發(fā)人員的分工更加明確；提高程序模塊復(fù)用率，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期；當(dāng)數(shù)據(jù)流量增加時，可以針對某一層進(jìn)行橫向擴(kuò)展，降低系統(tǒng)整體擴(kuò)展的成本。

系統(tǒng)采用4 層架構(gòu)的設(shè)計，從底層至項(xiàng)層依次為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表示層（圖1）。基礎(chǔ)層為系統(tǒng)運(yùn)行提供軟硬件支持；數(shù)據(jù)層是數(shù)據(jù)庫的主要控制部分，為數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出、查詢、修改、刪除、存儲等提供支撐；業(yè)務(wù)邏輯層對指令進(jìn)行邏輯判斷并執(zhí)行，挖掘數(shù)據(jù)的深層價值[15，16]，并實(shí)現(xiàn)表示層與數(shù)據(jù)層之間的數(shù)據(jù)調(diào)用和指令傳達(dá)；表示層與用戶直接交互，提交用戶指令并反饋，保證用戶體驗(yàn)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

2.2 功能模塊設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)登錄模塊 用戶登錄之前需進(jìn)行注冊，注冊成功后通過用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，登錄成功后進(jìn)入主界面，若登錄失敗可根據(jù)系統(tǒng)提示嘗試重新登錄。

2.2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊 用于定義小麥育種過程中的各類基礎(chǔ)規(guī)則，建立標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的數(shù)據(jù)管理體系[17，18]，包括性狀管理、地點(diǎn)及地塊管理、編號規(guī)則管理、系譜規(guī)則管理等；限定數(shù)據(jù)最大值和最小值、數(shù)據(jù)精度、分級量化標(biāo)準(zhǔn)等。數(shù)字化育種流程遵循此模塊設(shè)定的所有約束條件。

2.2.3 數(shù)據(jù)管理模塊 初始的育種材料進(jìn)入此模塊并進(jìn)行初選，評價各世代的性狀表現(xiàn)，決定保留或淘汰，并進(jìn)入材料管理模塊。

2.2.4 材料管理模塊 此模塊調(diào)用材料的屬性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的自定義查詢、添加、刪除、分組等功能，支持用戶設(shè)置聯(lián)合查詢條件，實(shí)現(xiàn)對材料性狀的跨分組查詢。

2.2.5 育種管理模塊 接受材料管理模塊的數(shù)據(jù)，配置育種組合，生成育種清單、組合詳情、組合列表；定義清單的執(zhí)行狀態(tài)、育種模式、育種材料數(shù)量等數(shù)據(jù)項(xiàng)，自動生成組合編號。

2.2.6 試驗(yàn)管理模塊 基于育種管理模塊的材料，設(shè)計試驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)材料數(shù)量、小區(qū)數(shù)量、生態(tài)區(qū)、試驗(yàn)分組等信息的自定義查詢，生成試驗(yàn)列表，篩選出目標(biāo)品系。

2.2.7 系統(tǒng)管理模塊 包括用戶組管理、試驗(yàn)組管理、賬號管理等子模塊，完成角色、權(quán)限的定義和分配；具有系統(tǒng)日志維護(hù)、數(shù)據(jù)備份等功能。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用SQL Server 2019 作為數(shù)據(jù)庫平臺，設(shè)計了育種數(shù)據(jù)庫，用于存儲約束規(guī)則、初始數(shù)據(jù)、材料、育種、試驗(yàn)等信息，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 育種數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.2 Database structure of breeding

3.2 數(shù)據(jù)表設(shè)計

為便于數(shù)據(jù)的調(diào)用、存儲和管理，根據(jù)數(shù)據(jù)類型將育種數(shù)據(jù)分為規(guī)則數(shù)據(jù)、初始數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、育種數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等若干類，以材料屬性為例，材料屬性表主要包括以下7 個數(shù)據(jù)項(xiàng)（表1）。

表1 部分材料屬性數(shù)據(jù)Table 1 Datasets of breeding materials

3.2.1 材料編號 每份育種材料具有獨(dú)立的編號，作為其在育種各環(huán)節(jié)中的唯一標(biāo)識。

3.2.2 曾用名 材料在育種過程中的各世代允許具有不同的名稱，曾用名可以定位其上一代的名稱信息。

3.2.3 品種類型 定義材料所屬的品種類型。

3.2.4 性狀類型 主要包括農(nóng)藝性狀、非生物脅迫類性狀、生物脅迫類性狀、品質(zhì)性狀、生化性狀等信息。

3.2.5 材料分組 記錄材料所屬分組及分組變動信息。

3.2.6 產(chǎn)量表現(xiàn) 主要包括單產(chǎn)、總產(chǎn)、增減產(chǎn)情況、不同材料產(chǎn)量對比等信息。

3.2.7 系譜信息 定義系譜樣式、親本間隔號、育種模式等信息。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 界面設(shè)計

系統(tǒng)界面分為登錄界面、一級系統(tǒng)界面和二級系統(tǒng)界面，支持自定義界面布局、菜單的級別變動和菜單內(nèi)容修改，便于用戶根據(jù)分工要求和個人習(xí)慣，自主采用便捷、個性化的操作方式；用戶可以自定義部分系統(tǒng)信息，如系統(tǒng)標(biāo)題、版權(quán)、技術(shù)支持等信息。根據(jù)各功能模塊包含的內(nèi)容，界面左側(cè)設(shè)有樹狀目錄，目錄樹可以分級展開、合并，相應(yīng)信息在界面中部的功能區(qū)中顯示；材料管理和育種管理模塊界面的右側(cè)設(shè)有材料組和試驗(yàn)組樹狀目錄，用于自主選擇材料組名、試驗(yàn)組名及二者所包含的材料和試驗(yàn)；中部功能區(qū)與界面右側(cè)的目錄樹聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)材料管理和試驗(yàn)管理之間的跨模塊調(diào)用功能。支持用戶自定義查詢。所有模塊中，互斥性的查詢選項(xiàng)采用下拉框或點(diǎn)選的方式選定，數(shù)值型、描述性的數(shù)據(jù)項(xiàng)采用文本框輸入的方式。系統(tǒng)支持多重條件聯(lián)合查詢，便于用戶精確定位感興趣信息。

4.2 系統(tǒng)登錄

通過輸入ID 和密碼登錄系統(tǒng)，后臺服務(wù)器驗(yàn)證登錄信息，若通過驗(yàn)證則跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)一級界面，若驗(yàn)證不成功，則提示錯誤類型；支持用戶修改、找回密碼等操作（圖3）。

圖3 系統(tǒng)登錄界面Fig.3 System login interface

4.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

定義性狀、地點(diǎn)及地塊、編號規(guī)則、系譜規(guī)則等約束條件，具有添加、查詢、修改刪除、導(dǎo)入、導(dǎo)出功能，此模塊定義的規(guī)則適用于育種流程各環(huán)節(jié)，接受系統(tǒng)所有模塊的調(diào)用（圖4）。

圖4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理Fig.4 Basic data management

4.4 數(shù)據(jù)管理

小麥育種初始數(shù)據(jù)進(jìn)入此模塊，由育種家對材料進(jìn)行初選，進(jìn)而評價材料表現(xiàn)，決定材料的保留、淘汰；初代材料無論評價結(jié)果如何，均進(jìn)入材料管理模塊，進(jìn)行第二輪的種植、評價。小麥育種過程中的材料和組合存在重復(fù)使用的情況，經(jīng)過材料管理模塊、育種管理模塊、實(shí)驗(yàn)管理模塊的篩選后，部分材料和組合可能重新進(jìn)入數(shù)據(jù)管理模塊，進(jìn)行再次評價。系統(tǒng)支持年度、布局、初選狀態(tài)、評價狀態(tài)的自定義查詢，生成記錄本并導(dǎo)出結(jié)果（圖5）。

圖5 材料評價Fig.5 Material evaluation

4.5 材料管理

評價后的材料進(jìn)入此模塊，育種家設(shè)定材料的編號、名稱、種質(zhì)類型、品種類型等信息，根據(jù)性狀表現(xiàn)存入相應(yīng)的材料分組，并進(jìn)入育種管理模塊。支持對材料屬性的自定義查詢和結(jié)果導(dǎo)出（圖6）。

圖6 材料屬性管理Fig.6 Material attribute management

4.6 育種管理

育種家在此模塊中選擇材料親本，配置育種組合，選擇育種模式，規(guī)劃地塊和小區(qū)布局，將一代材料再次種植，得到二代材料的性狀數(shù)據(jù)。二代材料重新進(jìn)入數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行評價，根據(jù)評價結(jié)果再依次進(jìn)入材料管理、育種管理模塊，執(zhí)行材料編號、材料分組、組合配置等操作。支持對育種清單、育種模式、親本材料、地塊和小區(qū)布局信息的的自定義查詢和結(jié)果導(dǎo)出（圖7）。

圖7 育種清單Fig.7 Breeding list

4.7 實(shí)驗(yàn)管理

育種材料經(jīng)過數(shù)代選育，性狀表現(xiàn)達(dá)到試驗(yàn)要求后，數(shù)據(jù)進(jìn)入試驗(yàn)管理模塊。在此模塊中，育種家設(shè)計試驗(yàn)方案，主要包括試驗(yàn)時間、名稱、地點(diǎn)、所屬生態(tài)區(qū)、考察性狀等項(xiàng)目；針對不同性狀表現(xiàn)的材料，設(shè)置相應(yīng)的試驗(yàn)組，對材料進(jìn)行下一步選育。選育得到的材料重新進(jìn)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行評價，經(jīng)過若干代試驗(yàn)后，選育出目標(biāo)品系，完成小麥數(shù)字化育種的全流程（圖8）。

圖8 試驗(yàn)設(shè)計Fig.8 experimental design

4.8 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)采用獨(dú)立的后臺管理界面。管理界面左側(cè)設(shè)置權(quán)限管理和系統(tǒng)維護(hù)兩大類目錄，界面中部為工作區(qū)，定義角色、權(quán)限、人員等屬性，以可視化形式展現(xiàn)用戶權(quán)限分配信息和系統(tǒng)維護(hù)信息。由于育種團(tuán)隊(duì)涉及不同的部門、項(xiàng)目組、試驗(yàn)小組，系統(tǒng)設(shè)置了超級管理員、一級管理員、試驗(yàn)組長和組員4 個角色。管理員擁有最高權(quán)限，擁有對所有數(shù)據(jù)的訪問、修改權(quán)；一級管理員可以訪問、修改本人管理的所有試驗(yàn)組的數(shù)據(jù)；試驗(yàn)組長擁有對本試驗(yàn)組內(nèi)數(shù)據(jù)的訪問、修改權(quán)限；試驗(yàn)組成員僅有數(shù)據(jù)導(dǎo)入的權(quán)限。超級管理員、一級管理員、試驗(yàn)組長為各自所管理的用戶賦予權(quán)限，可以對用戶進(jìn)行添加、修改、刪除、禁用等操作；超級管理員負(fù)責(zé)系統(tǒng)維護(hù)、日志管理、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)等工作（圖9）。

圖9 系統(tǒng)管理界面Fig.9 System management interface

5 結(jié)語

種質(zhì)資源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)[19]，種業(yè)是農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)[20]，小麥育種的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)小麥的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧保證食安全具有重要意義，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[21～23]。育種流程的數(shù)字化可以有效降低人力和時間成本，提高育種效率。

通過概述小麥數(shù)字化育種系統(tǒng)的開發(fā)過程，介紹了系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和主要功能的實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)主要優(yōu)勢有4 個方面（1）對育種材料進(jìn)行數(shù)字化記載和管理，便于追溯歷史育種材料，重新發(fā)現(xiàn)歷史材料的價值。（2）高效記錄、查詢育種數(shù)據(jù)，克服紙質(zhì)記載帶來的記載錯誤、容易損毀的弊端，提高數(shù)據(jù)精確度。（3）實(shí)現(xiàn)多地點(diǎn)、多年份、多品系、多性狀的整合分析，綜合評估育種材料的優(yōu)劣，便于從復(fù)雜的材料中篩選目標(biāo)品系，提高決策針對性。 （4）運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計和綜合評判的方法實(shí)現(xiàn)育種數(shù)據(jù)的綜合分析，有效加速了新品種選育的進(jìn)程。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小麥育種流程的數(shù)字化，若將作物種類擴(kuò)展至玉米、水稻等主糧作物，系統(tǒng)功能將更加完善。系統(tǒng)圍繞小麥育種的業(yè)務(wù)邏輯，實(shí)現(xiàn)從親本選配到品種選育的全流程管理。