生物多样性  2010, 18 (5): 454–460
Biodiversity Science                                                              http: //www.biodiversity-science
—————————————————— 收稿日期: 2010-05-21; 接受日期: 2010-07-27
基金项目: 农作物种质资源标准整理、整合及共享试点(2004DKA30380) * 通讯作者 Author for correspondence. E-mail: caoys@mail.caas
国家农作物种质资源平台的建立和应用
曹永生*  方  沩
(中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081)
摘要: 农作物种质资源是生物多样性的重要组成部分, 是作物育种和农业生产的物质基础。长期以来, 我国农作物种质资源标准不统一、资源保存相对分散、信息网络设施薄弱, 制约了农作物种质资源的共享利用。本文提出了国家农作物种质资源平台的概念和架构, 它是一个虚拟式的农作物种质资源机构, 由国家长期种质库、国家复份种质库、国家中期种质库、国家种质圃和国家种质信息中心组成。阐述了农作物种质资源技术规范体系构建的原则和方法, 建立了由110种作物的描述规范、数据规范和数据质量控制规
范组成的技术规范体系。提出了以信息共享带动实物共享的思路、方法和途径, 建成了拥有39万份种质信息的国家农作物种质资源数据库和中国作物种质资源信息网(is/)。创建了日常性服务、展示性服务、针对性服务、需求性服务和引导性服务等5种农作物种质资源服务模式, 有效解决了农作物种质资源共享利用的难题。 关键词: 农作物, 种质资源, 数据库, 信息共享, 生物多样性
Establishment and application of National Crop Germplasm Resources Infrastructure in China
Yongsheng Cao*, Wei Fang
Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081
Abstract: Crop germplasm resources are a key component of biodiversity, and can serve as a material basis for crop breeding and agroproduction. For a long time, ununified standards, widely-scattered germplasm storage, and weak information network infrastructure have restricted the sharing and utilization of crop germplasm resources in China. In order to overcome these problems, the concept and architecture of a pro-gram called the National Crop Germplasm Resources Infrastructure (NCGRI) were proposed. The NCGRI is a virtual organization which brings together crop germplasm resources from the national long-term genebank, the national duplicate genebank, the national medium-term genebank, the national field genebank, and the national germplasm inform
ation center. The principles and methods for establishing a technical standard sys-tem were elaborated. Complete with descriptor lists, a data dictionary, and data quality control standards, the group established a technical standard system for 110 crops. A protocol for sample sharing that is driven by information sharing was put forward. The national crop germplasm resources database with 390,000 acces-sions and the Chinese Crop Germplasm Resources Information Network (is/) were estab-lished as repositories. Finally five service-modes including routine service, field display services, targeted services, demand for services, and guide services were created.
Key words: crop, germplasm resources, database, information sharing, biodiversity
农作物种质资源是生物多样性的重要组成部分, 是一个国家最有价值、最具战略意义的资源。农作物种质资源平台建设是实现食物安全、生态安
免费平台源码资源网全和农民增收的重要保障。
美国是较早建立农作物种质资源平台的国家之一, 早在1990年美国国会就立法批准实施国家遗
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传资源计划(National Genetic Resources Program), 建成了国家植物种质资源系统(National Plant Germplasm System), 作为农作物种质资源收集、保存、评价、鉴定和分发的平台, 并建立了种质资源信息网络系统(Germplasm Resources Information Network, GRIN), 实现了2,204个属、13,426个种, 共53.5万份种质资源的网络信息化共享, 是世界上最大的农作物种质资源信息系统之一(National Re-search Council, 1991)。2008年美国农业研究局(Agricultural Research Service)和国际生物多样性中心(Biodiversity International)及全球农作物多样性信托基金(Global Crop Diversity Trust)共同启动了“全球农作物种质资源信息网络系统(GRIN- Global)”项目, 旨在建立一个全球性的以GRIN为原型、采用统一标准、基于互联网、开放源代码的农作物种质资源信息管理系统, 预计2010年年底将投入使用(Kaplan, 2008)。
“欧洲植物遗传资源合作计划(European Coop-erative Programme for Plant Genetic Resources)”设立于1980年, 以推动欧洲国家间作物种质资源长期保存和共享利用的合作, 欧盟委员会又于2000年批准建立“欧洲植物遗传资源信息平台(European Plant Genetic Resources Information Infrastructure)”来加强欧盟成员国间的农作物种质资源的信息共享, 该系统提供来自35个欧盟成员国的1,380个属、8,658个种, 共110万份农作物种质资源信息的共享。2009年18个欧盟成员国签署谅解备忘录, 决定设立“欧洲种质库整合系统(A European Genebank Integrated System)”项目, 通过采用统一标准体系, 建立一个虚拟的欧洲种质库, 进一步整合各成员国的农作物种质资源的实物和信息, 加强农作物种质资源的安全保存和共享利用(ECPGR, 2009)。
1990年, 中国初步建成了国家农作物种质资源数据库系统(张贤珍和曹永生, 1991)。为了进一步提高农作物种质资源的利用效率和效益, 解决农作物种质资源规范标准不统一、保存体系不完善、资源保存相对分散、资源整合有待加强、信息网络基础设施薄弱、共享利用困难等问题, 2003年, 我们提出了国家农作物种质资源平台的建设方案, 从2004年开始, 在原有国家农作物种质资源数据库系统的基础上, 着手建设国家农作物种质资源平台。到目前已基本建成了国家农作物种质资源平台, 该平台可以迅速及时地为育种和科研提供丰产、优质、抗主要病虫、抗不良环境的优良种质资源信息和实物。
1平台组成
国家农作物种质资源平台是一个虚拟式的农作物种质资源机构。其宗旨是: 集中体现国家安全和利益, 根据国家发展需求, 收集、保护和利用农作物种质资源, 面向全国开放共享服务, 为新品种选育、科学技术研究、政府决策、人才培养、农业生产和种业发展提供服务。平台的发展目标是: 建成国际一流的农作物种质资源保存和服务中心, 国际种质资源合作和交流中心, 全国农作物种质资源体系的龙头, 高层次种质资源人才培养和科普教育基地。
国家农作物种质资源平台由国家长期种质库、国家复份种质库、11个国家中期种质库(水稻、旱粮、棉花、麻类、油料、蔬菜、西甜瓜、甜菜、烟草、牧草、热带作物)、33个国家种质圃(野生稻、小麦野生近缘植物、甘薯、马铃薯、野生棉、苎麻、野生花生、水生蔬菜、苹果、梨、山楂、桃、杏、李、
柿、核桃、板栗、枣、葡萄、草莓、柑橘、龙眼、枇杷、香蕉、荔枝、新疆名特果树、云南特有果树、寒地果树、甘蔗、茶树、桑树、橡胶等)和国家种质信息中心组成。
国家长期种质库负责全国农作物种质资源的长期安全保存; 国家复份种质库负责国家长期种质库保存种质资源的备份安全保护; 国家中期库负责某一种或一类作物种质资源的收集编目、中期保存、整理评价、繁殖更新和分发利用, 并向国家长期种质库提供新收集的种质; 国家种质圃负责某一种或一类无性繁殖(多年生)作物种质资源的收集分类、编目保存、整理评价、繁殖更新和分发利用; 国家种质信息中心负责全国作物种质资源信息管理和信息系统建设。国家农作物种质资源平台按照“统一标准、统一编目、联合上网、资源共享”的原则, 通过中国作物种质信息网, 实现国家种质库(圃)资源的共享。
2技术规范体系
中国农作物种质资源种类多、数量大, 以其丰富性和独特性在国际上占有重要地位。经过50多年的努力, 目前已收集保存了39万份作物种质资源,
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这些宝贵的资源急需进行深入、有效地挖掘利用。但是, 由于这些种质资源收集、整理、保存、鉴定、评价和利用不规范, 缺乏质量控制手段和操作技术手册, 缺少科研和生产急需的技术指标, 导致数据可比
性差、共享利用率低, 再加上数字化程度不高, 影响了农作物种质资源的鉴定评价和高效利用, 使得我国虽拥有丰富的种质资源, 但能够直接用于育种的资源却很少, 制约了我国作物育种和农业生产的发展。
为了建立我国农作物种质资源技术规范体系, 提出了利用作物种质资源质量控制规范保证描述规范和数据规范可靠性、可比性和有效性的技术思路, 制定了农作物种质资源技术指标体系, 研制了农作物种质资源描述规范、数据规范和数据质量控制规范, 以及收集、整理、保存技术规程, 涵盖了我国已收集保存39万份种质资源的97.5%(董玉琛和刘旭, 2005)。2004年, 农作物种质资源技术规范体系在平台的各个单位开始实施, 目前已完成了20万份作物种质资源的标准化整理和数字化表达, 整体提升了种质资源标准化和数字化水平。
2.1技术指标
农作物种质资源技术指标的研制基于以下原则: (1)以作物种质资源研究和育种需求为主, 兼顾生产与市场需要。(2)立足中国现有研究和工作基础, 考虑将来发展, 并预留拓展空间。(3)借鉴国际先进指标, 在消化吸收的基础上进行拓展和创新。(4)科学性、系统性和实用性相结合。(5)关键技术指标和方法继承与创新相结合。(6)重点研制品质(营养品质、感官品质、加工品质、贮藏保鲜品质等)、抗病虫、抗逆特征特性等新的技术指标。(7)强化我国特有资源、特异性状技术指标的研制。
根据以上原则, 经过总结提炼、试验研制、完善提升、试验检验、技术审定、同行认可等步骤, 提出了
粮食作物、经济作物、蔬菜、果树、牧草绿肥等五大类110种作物种质资源技术指标3,824个, 重点涵盖了品质、抗病虫、抗逆特征特性等新的技术指标, 集成与提升了1,793个技术指标, 总结改进规范了9,436个技术指标, 实现了15,053个作物种质资源技术指标的系统规范。
2.2描述规范
农作物种质资源描述规范的描述内容涉及基本信息、形态特征和生物学特性、品质特性、抗逆性、抗病虫性和其他特征特性等6个方面。描述符按描述性质分为3类: (1)必选描述符(M), 所有资源必须鉴定评价; (2)可选描述符(O), 可选择鉴定评价; (3)条件描述符(C), 只对特定资源进行鉴定评价。描述符的代码是有序的, 如数量性状从细到粗、从低到高、从小到大、从少到多排列, 颜从浅到深, 抗性从强到弱等。每个描述符有一个基本的定义或说明, 数量性状标明单位, 质量性状有评价标准和等级划分。形态描述符附模式图。
研制的农作物种质资源描述规范涵盖了110种作物, 规定了各种农作物种质资源的基本描述符、特性描述符及其分级标准, 拓展和创新了国际生物多样性中心的描述规范, 其中38种作物种质资源描述规范为国际上首次制定。
2.3数据质量控制规范
农作物种质资源质量控制规范规定了各种农作物种质资源数据采集过程中的质量控制内容和方法。每个描述符的质量控制方法各不相同, 根据每个描述符的特点和具体情况, 其质量控制包括实验设计、样本数或体大小、时间或时期、取样数和取样方法、计量单位、精度和允许误差、采用的鉴定评价规范和标准、采用的仪器设备、性状的观测和等级划分方法、数据校验和数据分析等的部分或全部内容。
研制的110种作物种质资源数据质量控制规范集成了植物分类、生态、形态、农艺、生理生化、植物保护、计算机等多学科的理论、方法和技术, 以过程控制为主, 保证了资源数据的系统性、可比性和可靠性。
2.4数据规范
农作物种质资源数据规范与描述规范和质量控制规范相一致, 以农作物种质资源元数据为格式, 包括描述符的代号、字段名称、字段类型、字段长度、字段小数位、单位、代码等共12个项目, 中英文对照。
经过制定初稿、征求意见、修改完善、试验验证、专家审定等步骤, 研制了110种作物种质资源的数据规范, 其中修订提升完善了72种, 新研制38种, 为实现作物种质资源收集、整理、保存和利用的数字化奠定了基础。
2.5收集、整理、保存技术规程
研制了农作物种质资源收集、整理、保存技术
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规程, 规定了农作物种质资源收集、整理、保存技术程序、操作标准和指标参数等, 规范了农作物种质资源的收集、整理、保存等基础性工作, 以确保农作物种质资源的原初质量, 实现资源的持久安全保存, 提高资源的使用时效, 提升资源的价值, 保证作物种质资源工作的有序、高效。
3 数据库和信息共享网络
3.1 总体思路
国家农作物种质资源平台建设的总体思路是以农作物种质资源技术规范体系为基础, 以信息技术为手段, 通过规范化和数字化, 带动作物种质资源的共享和利用, 实现农作物种质资源的标准化整理、规范化评价、数字化表达、网络化共享和专业化服务, 提高农作物种质资源利用效率和效益(图1)。
图1国家农作物种质资源平台建设思路
Fig. 1  The train of thought for establishing National Crop Germplasm Resources Infrastructure in China
(1)标准化整理。根据农作物种质资源收集、整理、保存技术规范, 开展农作物种质资源实物和基本信息的标准化整理。
(2)规范化评价。根据农作物种质资源描述规范和数据质量控制规范, 开展农作物种质资源形态特征和生物学特性、品质、抗病虫、抗逆等特征特性的规范化鉴定评价。
(3)数字化表达。根据农作物种质资源数据规范，对农作物种质资源资料数据进行标准化整理整合, 建立农作物种质资源数据库。
(4)网络化共享。建立农作物种质资源信息共享网络系统, 实现信息和实物共享。
(5)专业化服务。提供一站式、全方位、可追溯、专业化的农作物种质资源信息和实物共享利用服务。
3.2数据库
建立了国家农作物种质资源平台数据采集网, 由全国400多个科研单位、2,600多名科技人员组成, 包括1个信息中心, 20个作物分中心, 50个一级数据源单位, 近400个二级数据源单位。数据采集按照统一规划, 统一数据规范, 有组织地在全国范围内进行。
采集的农作物种质资源数据包括: (1)普查数据。被普查地区资源环境、经济、民族、社会文化等数据, 以及种质资源的多样性、种类分布、濒危状况、保护措施、主要特征特性和用途等数据。(2) 调查数据。被调查种质资源的地理、环境、生物学特性和利用等数据。(3)引种数据。从引进种质资源的基本信息、来源途径和主要特征特性数据。
(4)监测数据。种质库种子生活力监测、种质圃种质健壮度监测、原生境种质监测等数据。(5)保存数据。种质库库存种质保存、繁殖、生活力和更新等数据库。(6)鉴定数据。种质资源基本信息、形态特征和生物学特性、品质特性、抗逆性、抗病虫性和其他特征特性鉴定数据。(7)分子数据。种质资源的指纹图谱、基因/QTL、分子标记等数据。(8)图像数据。种质资源的整体图像、生境图像、各种特征特性图像、多样性图像等数据, 图2是玉米种质资源多样性图像数据库举例。(9)利用数据。种质资源的分发、利用和反馈数据。
农作物种质资源数据按照国家农作物种质资源平台数据采集网逐级进行汇交, 最终汇交到国家种质信息中心, 通过全国统一编号将数据进行有机组合, 按照农作物种质资源数据规范建立相应的数据库, 这些数
据库既相对独立又有机地联系在一起, 可为不同的用户提供特定的信息, 也为数据库的管理和维护提供了方便。
运用各种集成技术和手段将各类数据库集成在统一的环境下, 建成了国家农作物种质资源数据库。国家农作物种质资源数据库是一个集中式存储的大型数据库。经过20多年的建设, 国家农作物种质资源数据库已拥有200种作物、39万份种质信息, 包括国家作物种质库管理、青海复份库管理、国家种质圃管理、中期库管理、农作物特性评价鉴定、优异资源综合评价和国内外种质交换等9个子系统, 近700个数据库, 135万条记录, 230GB数据量。通过
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图2  玉米种质资源多样性图像数据库
Fig. 2  Photo database of corn germplasm resources diversity
国家农作物种质资源数据库, 可以全面掌握和了解我国农作物种质资源的情况, 促进种质资源的保护、共享和利用, 为科学研究和农业生产提供优良种质信息, 为社会公众提供科普信息, 为国家提供资源保护和持续利用的决策信息。 3.3  信息共享网络系统
利用网络技术、元数据库技术、WebGIS 技术和面向对象程序设计技术, 设计了基于Internet 的农作物种质资源数据库管理系统, 实现了用一套系统管理多种作物多个数据库的目标, 可存取数值、文本和图像信息, 具有检索查询、分类统计、数据挖掘、图像显示等功能, 可以有效管理作物野生种、地方品种、选育品种、品系和遗传材料的普查、调查、引种、保存、监测、鉴定、分子、图像、利用等数据(曹永生等, 2001)。
在此基础上, 建成了中国作物种质资源信息网(is/)。提供24小时不间断服务, 实现了农作物种质资源信息和实物共享(图3)。
中国作物种质资源信息网的主要功能有: (1) 信息共享。提供农作物种质资源数据查询, 以及农业百科知识、作物病虫害知识、植物遗传资
源科普知识、种子法律法规、标准规范等信息。
(2) 实物共享。通过种质数据查询, 获得所需种质的全国统一编号, 并进行标记, 填写用户邮寄地址、电话号码等信息, 就可直接获取所需种质的实物。
(3) 数据分析和挖掘。提供种质数据分类统计、基本统计分析、空间分析和数据挖掘等功能。
4  共享服务
4.1  服务模式
国家农作物种质资源平台实行公益性共享, 提供5种服务模式。
(1) 日常性服务。根据用户需要, 及时提供农作物种质资源信息和实物。
(2) 展示性服务。分析用户需要, 主动邀请用户, 通过农作物种质资源田间展示, 提供信息和实物共享。
(3) 针对性服务。按作物梳理平台服务重点对象, 针对重点科研基地、项目、团队等重点服务对象开展优质服务。
(4) 需求性服务。针对国家需要、突发事件、

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