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        天津市原種場(chǎng)水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)

        2019-08-26 13:56:52徐建坡
        天津農(nóng)林科技 2019年4期
        關(guān)鍵詞:種質(zhì)性狀水稻

        李 翔,徐建坡

        (天津市原種場(chǎng),天津 301504)

        種質(zhì)資源是在長(zhǎng)期人工選擇和自然選擇過(guò)程中形成的,它們攜帶著多種遺傳基因,并將其豐富的遺傳信息從親代傳遞給后代的遺傳物質(zhì)的總體,是作物品種選育及生物學(xué)理論研究非常重要的基礎(chǔ)材料來(lái)源,是育種的原始材料。水稻是我國(guó)主要糧食作物之一,隨著人們生活水平的提高,對(duì)水稻品質(zhì)的追求也日益提高,為水稻育種工作帶來(lái)了很大的機(jī)遇和挑戰(zhàn),需要豐富的水稻種質(zhì)資源做基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外研究表明,水稻育種工作的突破性進(jìn)展主要取決于攜帶關(guān)鍵性基因的種質(zhì)資源的發(fā)現(xiàn)和利用。如洪君英、洪春利在廣東發(fā)現(xiàn)自然變異矮稈化植株,培育出了“矮腳南特”;李必湖利用在海南發(fā)現(xiàn)花粉敗育的野生稻實(shí)現(xiàn)了秈型雜交水稻三系配套;石明松在湖北發(fā)現(xiàn)農(nóng)墾58不育株,使兩系雜交稻得到廣泛應(yīng)用。由此可見(jiàn),水稻種質(zhì)資源的發(fā)掘和利用是水稻育種持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)保障。

        1 天津市原種場(chǎng)水稻種質(zhì)資源管理現(xiàn)狀

        天津市原種場(chǎng)開(kāi)展水稻品種選育工作已有20余年的歷程,所選品種在天津、河北及東北等地廣泛種植,具有一定的知名度。但在水稻種質(zhì)資源管理上還存在不足,每年有大量的育種材料和種質(zhì)資源數(shù)據(jù)信息目前基本以紙質(zhì)形式記錄和管理,由于工作量較大,導(dǎo)致有的記錄不準(zhǔn)確或遺失;育種人員查詢(xún)某個(gè)種質(zhì)資源的祖代親本和田間表現(xiàn),需逐年翻閱十幾年的育種記錄,耗費(fèi)大量的精力和時(shí)間,而且紙質(zhì)材料也不利于長(zhǎng)期保存。因此,建設(shè)水稻品種種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù),精確采集各類(lèi)親本信息、田間性狀信息,實(shí)現(xiàn)譜系管理、種質(zhì)查詢(xún)、分類(lèi)管理、統(tǒng)計(jì)分析等功能,能有效解決目前品種選育中信息不準(zhǔn)確、查詢(xún)繁瑣、工作量繁重等突出問(wèn)題,從而加強(qiáng)水稻種質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)利用,提高育種效率,縮短育種年限,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)育種。

        2 水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)

        2.1 水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的信息類(lèi)型

        水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)以《水稻品種資源觀察調(diào)查項(xiàng)目及記載標(biāo)準(zhǔn)》和《稻屬野生種種質(zhì)資源記載標(biāo)準(zhǔn)》為基礎(chǔ),結(jié)合水稻種質(zhì)資源品質(zhì)分析和育種家多年經(jīng)驗(yàn),對(duì)水稻各項(xiàng)性狀進(jìn)行分類(lèi)歸納整理,分析數(shù)據(jù)字段名稱(chēng)、數(shù)據(jù)類(lèi)型等,確定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)基于Brower/Server的架構(gòu)模式,采用ASP.NET作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),建立基于Sql Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),運(yùn)行于 NET 4.0 框架下,實(shí)現(xiàn)育種過(guò)程的信息化管理。數(shù)據(jù)庫(kù)依次記載水稻種質(zhì)資源父母本、典型性狀特征、繁茂性、抗倒伏性、抗病性等田間觀察性狀和株高、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率等室內(nèi)考種性狀、米質(zhì)情況以及產(chǎn)量等信息類(lèi)型(圖1)。

        圖1 水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)部分信息結(jié)構(gòu)

        2.2 水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的功能

        2.2.1 種質(zhì)資源數(shù)據(jù)的保存 水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)保存有各種種質(zhì)資源的年份、編號(hào)、入選號(hào),采用RFID標(biāo)簽對(duì)育種小區(qū)進(jìn)行管理,研發(fā)了基于電子標(biāo)簽的育種小區(qū)標(biāo)識(shí)。采用專(zhuān)用RFID讀寫(xiě)設(shè)備等,實(shí)現(xiàn)小區(qū)和單株性狀田間觀測(cè)數(shù)據(jù)的快速采集,包括株高、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、分蘗、葉色、株型等各項(xiàng)性狀和照片信息,通過(guò)無(wú)線方式傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù),后期對(duì)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工標(biāo)注和刪減,優(yōu)化種質(zhì)資源數(shù)據(jù)。

        2.2.2 種質(zhì)資源查詢(xún)功能 種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)分為關(guān)鍵詞查找和精確查找2種方式。關(guān)鍵詞查找指通過(guò)查找具體性狀特征,系統(tǒng)自動(dòng)篩選出所有符合關(guān)鍵詞的種質(zhì)資源(圖2)。精確查找是通過(guò)查找具體的種質(zhì)資源編號(hào),系統(tǒng)自動(dòng)查找到該種質(zhì)資源的具體性狀表現(xiàn)及親本、子代編號(hào)(圖3)。這樣可快速地獲取種質(zhì)資源數(shù)據(jù)和查詢(xún)到種質(zhì)信息,提高查詢(xún)和利用效率。

        圖2 水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)關(guān)鍵詞查詢(xún)

        圖3 水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)精確查詢(xún)

        2.2.3 譜系管理和親緣追溯 水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)可通過(guò)譜系分析,查找任意一種質(zhì)資源編號(hào),即可搜索到該種質(zhì)資源各代親本信息和每年的性狀表現(xiàn)(圖4),為品種選育提供依據(jù)。

        圖4 水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)譜系查詢(xún)

        2.2.4 預(yù)留接口和數(shù)據(jù)補(bǔ)充 在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中,考慮數(shù)據(jù)庫(kù)的可擴(kuò)展性,提前預(yù)留數(shù)據(jù)接口,對(duì)種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的信息進(jìn)行刪減和增加。通過(guò)多年種質(zhì)資源數(shù)據(jù)的補(bǔ)充和積累,不斷完善信息,研究數(shù)據(jù)挖掘功能。參照完整性,設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)級(jí)聯(lián)更新和級(jí)聯(lián)刪除,確保各相關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和關(guān)聯(lián)性的完整統(tǒng)一。

        3 水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的作用

        3.1 實(shí)現(xiàn)水稻種質(zhì)資源的高效管理

        水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)以及查詢(xún)檢索系統(tǒng)的建立,為水稻遺傳育種提供了高效快捷的信息查詢(xún)服務(wù),可大大提高種質(zhì)資源的實(shí)際利用率,加快培育突破性品種進(jìn)程,使資源數(shù)據(jù)管理更加科學(xué)化、規(guī)范化、智能化。

        3.2 利于品種的親緣追溯和遺傳分析

        水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用親緣追溯技術(shù),在品種與資源之間搭建橋梁,可了解該品種的選育過(guò)程和遺傳背景,并通過(guò)遺傳分析,清楚地掌握該品種中每一個(gè)親緣所占的比重。同時(shí)通過(guò)親緣追溯和遺傳分析,可查找任意一種質(zhì)資源編號(hào)或性狀,了解該種質(zhì)資源在各代的表現(xiàn)和利用情況,便于育種者更好地選擇和利用種質(zhì)資源。

        3.3 有利于精準(zhǔn)育種

        將水稻種質(zhì)資源在當(dāng)?shù)氐脑囼?yàn)表現(xiàn),與本地優(yōu)秀品種進(jìn)行雜交選育、田間農(nóng)藝性狀調(diào)查等,與已建立的水稻種質(zhì)資源庫(kù)相結(jié)合,便于種質(zhì)資源的分類(lèi)整理與規(guī)范化管理,實(shí)現(xiàn)譜系管理、種質(zhì)查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析、智能決策等核心功能,把握育種方向,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)育種(圖5)。

        4 水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的未來(lái)工作展望

        4.1 加強(qiáng)水稻種質(zhì)資源的引進(jìn)和收集

        基于水稻種質(zhì)資源的重要作用,應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)引進(jìn)優(yōu)秀的水稻種質(zhì)資源,利用不同遺傳背景的材料,拓寬遺傳基礎(chǔ),尤其是國(guó)外水稻種質(zhì)資源的利用。同時(shí)也要做好新種質(zhì)資源的利用和創(chuàng)新,利用雜交、誘變、分子技術(shù)等手段,改造或創(chuàng)新優(yōu)良的水稻新品種和新品系。

        圖5 精準(zhǔn)育種流程圖

        4.2 完善水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)

        天津市原種場(chǎng)水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)已初步建成,但每年仍有大量新的種質(zhì)資源引進(jìn)和發(fā)現(xiàn),需要不斷完善和創(chuàng)新,深度挖掘水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的功能。

        4.3 水稻育種與高新技術(shù)的聯(lián)結(jié)

        隨著水稻種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷完善和發(fā)展,在龐大數(shù)據(jù)量的支持下,利用優(yōu)秀種質(zhì)資源進(jìn)行智能匹配,將分子標(biāo)記等高新技術(shù)應(yīng)用于水稻育種已成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

        同時(shí),高新技術(shù)將在常規(guī)技術(shù)無(wú)法或難以解決的某個(gè)點(diǎn)或局部問(wèn)題上發(fā)揮重要作用,如稻瘟病持久抗性育種,應(yīng)用單粒分析儀在分離世代對(duì)谷粒直鏈淀粉含量進(jìn)行活體單粒測(cè)定篩選等。隨著物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的日益發(fā)展,也有大量應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的案例,未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)和水稻育種的全面結(jié)合。

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