423 中国农作物遗传多样性信息管理系统 张贤珍曹永生白建军 ( 中国农业科学院作物品种资源研究所, 北京 100081) 摘要本文主要阐述农作物遗传多样性的重要性, 国家种质库 ( 圃 ) 种质存贮的状况和数据采集 规范 基础数据库及信息管理系统的特点和功能 关键词农作物遗传多样性数据库信息管理系统 农作物遗传多样性是植物遗传多样性的重要组成部分, 是人类食物 药物和工业原料等作物改进的基因来源 它涉及粮食 纤维 油料 糖料 饲料 绿肥 蔬菜 果树 药材 花卉, 及其他一切栽培植物过去和现在的栽培品种, 野生亲缘植物以及遗传材料 据初步统计, 我国栽培的作物有 600 种, 其中粮食作物 30 多种 经济作物约 70 种, 果树约 110 多种, 蔬菜 120 余种, 牧草约 50 种, 绿肥约 20 种, 花卉 130 余种, 主要栽培药材约 50 余种 各种作物的品种总数已达到 35 万份 起源于我国的作物约有 200 余种, 它们具有丰富的野生种和野生亲缘植物, 已受到全世界的瞩目 通过 七五 和 八五 的两个五年计划的科技攻关, 我国对已收集的 35 万份作物种质资源进行农艺性状 品质 抗逆 抗病初步鉴定评价, 并繁殖更新入库或入圃长期保存 凡以种子保存均贮存在中国农业科学院国家长期种质库 (-18 ) 和青海西宁国家复份种质库 ( 一 10 ) 内 凡以种茎 块根和植株保存的均建立国家种质圃保存 现已建立了 31 个多年生和无性繁殖作物的种质圃,2 个试管苗库 目前入库保存的种质是利用低温干燥的人工环境, 使其个体在所生存的环境中保持其遗传完整性 (genetic integrity), 有高的活力 (vigor), 能通过繁殖将其遗传性传递下去 入库和入圃保存的每一份种质都拥有一份有价值的数据, 这些数据由 七五 和 八五 参加攻关的相应作物的专题主持单位, 按照全国要求, 提供给国家种质资源信息中心 以此数据为基础, 建立了农作物遗传多样性信息管理系统 下面着重介绍国家农作物遗传多样性数据采集 规范 基础数据库及信息管理系统的特点和功能 1 农作物遗传多样性数据的采集和规范 1.1 数据采集 七五 和 八五 凡是提供给国家种质资源信息中心的各种作物特性评价数据, 都是在国家统一规划下, 有组织的在全国范围内进行的 鉴定的项目是依其重要性, 专家评审后确定的 鉴定的方法和技术是在对国内外多种鉴定方法对比分析的基础上, 征求国内有关学术权威专家意见而统一的 在组织实施时, 对承担各种作物的评价鉴定单位都有明确的职责要求, 规定了计划任务和考核目标 每年主持单位都要到现场考察 总结检查, 及时解决出现的技术问题 因此我国农作物遗传资源多样性评价鉴定数据的采集工作是十分严肃认真的, 数据是准确可信的 1.1.1 作物植物学形态和农艺性状评价鉴定数据植物学形态和农艺性状是农作物的基本性状 目前提供给国家的是在原产地或相适应的
424 生态区 23 年的观察值, 即要求农艺性状的数据要在正常生长情况下取得的, 并以农艺性状为基础, 汇编成各种作物的全国种质资源目录, 作为国家种质库长期库的名录, 凡未编入目录者一律不得存人国家种质资源数据库 1.1.2 作物品质鉴定的数据品质鉴定是由省农科院作物品质分析中心按统一规定分析方法进行的 鉴定的项目是以作物基本营养成分为主, 例如, 水稻 小麦 玉米 高粱 谷子 大豆 食用豆等主要作物分析蛋白 粗脂肪 总淀粉 赖氨酸, 部分作物还分析了 19 种氨基酸 还有非营养成分和加工品质, 例如水稻分析了糊化温度 胶稠度, 小麦分析了沉淀值和硬度, 大麦分析了全粉浸出物 糖化力 水敏性等 1.1.3 作物抗逆性鉴定数据病虫害是农作物生产的一个重要的威胁因素 规定各单位在统一的菌种 虫源 接种方法的条件下, 对常见病害进行鉴定 例如水稻鉴定苗瘟 白背飞虱 褐稻虱 纹枯病 稻瘿纹 小麦鉴定条锈 杆锈 叶锈 白粉病 黄矮病 赤霉病 玉米鉴定大斑病 小斑病 矮花叶病等 数据采集主要是由我国省级农业科学研究单位和中国农业科学院院属各种作物的研究所在统一目标任务下, 用统一的鉴定技术与方法, 由统一组织系统承担实施的 这充分显示了我国农作物遗传资源多样性数据采集已建立了全国性的网络, 进入了国家管理阶段 1.2 数据规范化处理考虑到数据库总体结构在相当长时期内具有完整性 准确性 稳定性和先进性, 数据的描述体系必须规范化 标准化, 它既要忠实而又科学地处理我国农业科学工作者辛勤劳动积累的大量原始资料, 又要积极地向国际组织制定的标准靠近 因此我们建立数据库之前, 综合分析了数十万份农作物的评价资料, 参考了国际植物遗传资源委员会 (IBPGR) 公布的作物描述符表 (Descriptors list), 研究了国内外作物种质资源数据录入格式 数据库系统的设计的方法原理 工作流程和运行环境 在此基础上研究制定了我国农作物品种资源信息处理规范 这部规范包括四大部分, 第一部分为农作物数据库及数据结构规范, 它用简洁明晰的计算机语言和代码确切地反映各种农作物基本属性 鉴定项目及其数据结构 代码层次清楚, 排列有序 ; 第二部分为计算机录入标准和代码说明 ; 第三部分为字段名和代码的中英文对照表 ; 第四部分是录入标准及代码的英文说明 这套规范具有中英文两种版本, 以便于国际种质信息交流 七五 和 八五 期间我们就是按这套规范处理农作物遗传资源多样性数据 2 国家农作物遗传多样性信息系统 七五 和 八五 期间, 通过全国 12 个单位的联合攻关, 现已建成了 160 种作物 33 万份种质信息 2000 万个数据项值国家农作物遗传多样性信息系统 该系统包括 7 个基础数据库,8 个功能模块, 系统是以 C 语言和 Foxpro 联合编程实现的 2.1 基础数据库 2.1.1 国家种质库管理数据库该库拥有 141 种作物 30.65 万份种质, 其中大田作物 59 种 28.25 万份种质, 蔬菜 82 种作物 2.4 万份种质 它包括种子入库登记 清选 发芽 干燥 包装 入库过程中的各类信息 这些信息有助于国家种质库的管理和种子生活力监测, 以便有计划地进行繁殖更新, 也是对种子保存的农作物遗传多样性进行保护的重要信息
425 2.1.2 国家青海复份种质库管理数据库该库拥有 141 种作物 30.54 万份种质 244 万个数据项值的信息, 它包含由北京转移至青海种质库种质的活力测定 转移时间 种子重量 存放青海库箱号及库位等数据, 为青海复份种质库的管理和监测提供信息 2.1.3 农作物遗传特性评价数据库该库拥有 160 种作物 33 万份种质, 它包括种质的基本情况 植物学形态 农艺性状 品质 抗病 抗逆 细胞学 分子学及其他特征特性鉴定的数据 这些信息保证了保存在国家种质库 ( 圃 ) 的每一份种质有一份有价值的数据, 它可为拓宽遗传基因的利用范围和生物多样性的保护提供可靠信息 2.1.4 多年生野生圃管理数据库该库拥有 1.114 万份种质,13.4 万个数据项值的信息, 它包括入圃保存的水生蔬菜 野生稻 苎麻 野生花生 茶 桑等国家野生圃保存的种质特性评价鉴定的数据, 这些数据可为多年生作物的保存和繁殖更新提供依据 2.1.5 主要粮食作物和部分经济作物优异种质特性评价鉴定数据库该库拥有 1 万份种质 30 万个数据项值的信息 它包含一项或多项优异特性的种质在不同年度和不同生态区评价鉴定的数据, 一般有两年或三年的结果, 这些数据将有助于亲本的选择和种质资源的深入研究和利用 2.1.6 中期库管理数据库该库是以种子保存的种质贮存在 0 和 10 的中期库内 目前库内种子量在 250 g 以上的种质有 9617 份,500 g 以上的种质有 4276 份 国内外交换作物种子时可随时登记造册, 该库可向有关部门提供种子交换的情况, 以及中期库需要繁种更新的信息 2.1.7 国内外种质交换数据库该库拥有 60 种作物 12 万份种质, 每份引进的种质包含作物类别 名称 引入国家 引入时间 试种地点及初步试种的情况 每份对外提供的种质包含作物类别 名称 提供的国家 提供的时间及主要特性等, 该库可随时为国内外种质交换提供信息 2.2 信息管理系统中国农作物遗传多样性信息管理系统有 8 个功能模块 ( 图 1), 用 Foxpro 和 C 语言联合编程实现的 系统适用于不同作物和不同类型的数据结构, 各单项作物数据库和各功能模块既可相对独立, 即水稻 麦类 杂粮 棉麻 油料 蔬菜 果树和其他经济作物的数据库可独立运行, 合起来又成为综合性 多功能 中英文两用的农作物遗传多样性信息管理系统 系统既可以进行信息检索 查询 统计 维护, 还可以结合种质资源研究的需要对数据进行加工分析, 将数据处理扩展到对数据库中的数据的整体特征进行认识, 从而获得一些与数据库相吻合的宏观知识, 以提高种质资源信息的利用率 同时还利用图形和图像技术, 研制了作物种质资源电子地图系统 染色体图像分析系统 同工酶谱图像分析系统等 这些系统的建立为进一步研究农作物遗传资源主要特性的地理分布和建立基因文库奠定了基础 下面简要概述系统功能 2.2.1 管理系统具有较强的移植和互连的功能数据库管理系统可在 DOS 或 Windows 操作系统上运行 目前管理系统可以对上述 7 个基础数据库进行集中管理和查询 该系统为异构数据库的互连和移植到 UNIX XENIX 操作系统奠定了良好的基础
426 图 1 中国农作物遗传多样性信息管理系统体系结构 2.2.2 具有作物品种系谱分析功能 以小麦和水稻选育品种为对象, 建立了小麦和水稻品种系谱分析系统 该系统可以查找 小麦 水稻选育品种的特征特性, 踪各个世代的亲本, 计算选配率, 分析系谱结构, 绘制系
427 谱图, 该系统有助于防止盲目选配和重复选择亲本, 提高育种效率 2.2.3 具有农作物种质资源亚种以下变种和类型的分类功能为解决大量复杂的 综合性强的农作物种质特性评价数据的分类问题, 系统具有对亚种以下变种和类型的分类功能 该系统通过建立种质分类专家知识库, 确定亚种以下的分类字段 分级标准和分类字段的优先级, 再利用种质特性评价数据库, 可以迅速地划分亚种以下的变种和类型 2.2.4 具有划分农作物表型遗传多样性地理类型的分析功能系统所具备的划分农作物表型遗传多样性地理类型的分析功能, 也是建立在专家知识库的基础上 在专家确定表示某种作物生物多样性特性字段的基础上, 对某些性状的表型进行分级, 统计每个地区 每个字段各种级别出现的频率, 然后计算生物多样性的指数, 并进行差异显著性检验, 以此来判断生物多样性表型的地理类型, 为探求作物种质的富集中心提供依据 2.2.5 图形分析功能为了将大量复杂的农作物遗传多样性的数字信息转换成直观 易于理解 可重复分析且以图形形式表示的画面呈现在屏幕上, 或输出到打印机或激光机上, 我们设计了多变量种质特性图形分析系统 该系统可以对各种作物来源于或原产于不同地区或不同级别相对应的质量性状或数量性状的统计结果, 用图形方式绘制在各种坐标图上, 使种质资源工作者可以从一张浓缩的图形上一目了然地看到成千上万份种质所表现的特征特性, 这些工作为继续进行优异种质资源和遗传多样性的研究提供了数据分析平台 2.2.6 染色体和同工酶图像分析功能种质资源的研究已经进入到细胞和分子水平, 其中重要的研究对象就是细胞染色体和各种活性酶 染色体作为遗传物质的载体, 其核型分析 分带 互换 杂交等技术的进展, 为人为
428 控制种质资源遗传特性开辟了广阔的前景 利用生物化学方法分析同工酶酶谱, 作为遗传信息表达的指标来研究高等植物不育的遗传本质, 鉴定作物品种是否存在抗病 抗逆特性的基因, 以及划分属种之间的类别, 为人们探求作物的生理机制提供研究途径 但是从事染色体和同工酶分析的研究人员都深知手工操作艰苦性和繁杂性 因此利用计算机图像识别技术改进种质资源细胞 分子水平的研究手段已势在必行 从 1992 年开始研制染色体和同工酶图像分析系统, 经过三年多的工作, 已研制成功了染色体和同工酶图像分析系统, 该系统是用 C 语言设计, 有 28000 条源程序, 可以在 DOS 和 Windows 操作系统下运行 该系统建成后已成功地对 1000 多份小麦 大麦 谷子 荞麦 籽粒苋等作物染色体和同工酶进行了分析, 改变了手工剪接图像 配对 绘制模式图 计算各种参数等落后的工作方式, 提高了种质资源在细胞和分子水平上的研究水平和工作效率 2.2.7 绘制种质资源地理分布图的功能种质资源数据是具有空间内涵的地理数据, 为建立种质资源地理信息系统提供了基础条件 我们在分析中国作物种质资源信息系统数据的基础上, 利用图形技术, 建立了中国作物种质资源电子地图系统 该系统是建立在 Microstation PC 4.03 基础上的 它包含中国行政单位省 地 县基础数据库, 中华人民共和国 1:400 万比例的地图信息库, 原产地资源份数统计结果数据库以及原产地经纬度统计数据库 在建立以上 4 个数据库的基础上, 再按双标准纬线等面积圆锥投影将经纬度值转换成地图坐标值, 绘制成种质资源地理分布图 现已利用该系统绘制了 135 幅不同数量级别的点值分布图,135 幅 1 l 经纬网格种质资源密度分布图, 出 版了用中英文描述的 中国主要作物种质资源地理分布图集 该系统的建立为进一步研究各种作物种质特性评价数据的空间分布和生物多样性富集中心奠定了基础 2.2.8 国际植物遗传资源信息交换的功能由于各国使用的语言 信息记载标准 存贮格式和计算机软硬件系统的差异, 使得植物遗传资源信息交换非常困难, 从而影响了植物遗传资源信息国际间交换 因此我们制定了国际植物遗传资源信息交换协议, 并研制了信息交换软件, 使世界各国植物遗传资源信息的共享成为可能 中国农作物遗传多样性信息管理系统已提供给全国省 地 县有关农业研究单位使用, 并在全国设立了 42 个种质信息服务点, 可供各省农业科学院 ( 所 ) 农业院校及生产单位就地查询使用 目前, 我们在制定优良种质数据库的结构和标准的基础上, 结合地理区域 生态条件和不同气候带, 将优良种质的综合评价结果, 建成优良种质评价数据库 然后, 利用地理模型库 知识库和图形库研制优良种质资源地理信息系统及多媒体信息系统 参考文献 方嘉禾等.1996. 八五 期间农作物品种资源攻关研究取得重大进展. 作物品种资源.3:1 2 张贤珍等.1990. 农作物品种资源信息处理规范. 北京 : 农业出版社张贤珍等.1991. 农业数据库系统程序设计. 北京 : 农业出版社曹永生, 张贤珍等.1995. 中国主要农作物种质资源地理分布图集. 北京 : 中国农业出版社 Zhang Xianzhen.Cao Yongshen 1994.The national databses system of crop germplasm resources in China,CODATA Proceedings Series.13 77
429 C R O P G E N E T I C D I V E R S I T Y I N F O R M A T I O N M A N A G E M E N T SYSTEM IN CHINA Zhang Xianzhen,Cao Yongsheng,Bai Janjan (Institute of Crop Germplasm Resources,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081) On the basis of our research work from 1986 to 1995 in China,the storage state of National Crop Gene Bank(Narsery),data acquisition,data standardization,basic database,characteristics and functions in information management system are introduced Key words: Crop,Genetic diversity,database,information management system