种子也有数字“图书馆”？它促进江苏生物育种更高效

交汇点讯 一粒种，万颗子。种业创新是农业科技创新的核心问题，要开展种源“卡脖子”技术攻关，首要解决的就是种质资源保护和利用问题。在江苏，有科研团队探索种质资源数字化建设，把水稻、玉米等作物的基因变成数据存储起来，让生物育种更精准、更高效。

精准高效育种，搭建数字化种子“图书馆”

常规的种质资源库被称作“种子库”，就像一座种子“图书馆”，育种专家们可以在库里检索想要的特殊种子，有些种子库会储存多达几十万甚至上百万份种子。

“目前，种质资源与生物技术研究所依托的江苏省农作物种质资源中期库已收集保存农作物种质资源5.7万份，涵盖54种作物，涉及14个植物科、56个属和96个物种。”江苏省农业科学院（以下简称：江苏省农科院）种质资源与生物技术研究所所长赵涵介绍说，其中水稻种质资源15000余份、小麦种质资源15000余份，玉米种质资源6000余份，具有鲜明的地方特色。如长江中下游尤其是太湖流域的水稻地方品种、南方六省一市冬麦区的小麦地方品种、江苏地方糯玉米品种。

“但要想生物育种更精准、更高效，就要把种质资源的基因变成数据存储起来。”赵涵表示。然而，生物基因组的数量十分庞大。“一株水稻的基因数据量可达400M左右，而一个平常的64G闪存盘只能存储十几株水稻的基因组数据。”“建设数字化的种质资源库亟需海量存储和高性能计算技术，才能为接下来的人工智能育种打下基础。”

今年2月，中国政府网发布的《国务院关于印发“十四五”推进农业农村现代化规划的通知》提出，要加强种质资源保护，构建种质资源DNA分子指纹图谱库、特征库和农业种质资源数据库。

“江苏的种质数据库搭建工作走在了前头！”赵涵介绍，早在2020年6月，团队就着手为摸清种质资源“家底”，在全国率先搭建了数字化育种平台。“当时的初衷是希望建成与种子基因库一一对应的种质资源库，基因库数据可以从实体种质资源库中追溯到。”赵涵说，数字化育种平台通过构建高精度模型、结合基因编辑技术，能够先预测育种，既省去田间播种试验的大量人力，又节省了实验时间，提高科研效率。

赵涵表示，以“新一代数字科技与生物技术深度融合”为特征的智慧育种时代正加速到来，中国种业发展面临前所未有的机遇与挑战。构建数字化育种平台，实现育种数据化、网络化、智能化，已成为提升育种效能的主流趋势和根本方法。

完善种子“身份证”，干湿实验各显神通

目前，全球种业正处在从分子育种的3.0时期到大数据智能设计育种4.0时代的过渡时期，使用基因组测序+大数据建模的方式能够极大提升育种的效率和遗传增益。然而，国内大部分地方种质资源库收集种子后并没有对种子进行基因分析，而是直接播种后观察植株性状、差异并进行分析，目前仍处于从2.0传统育种阶时期向3.0时期过渡的阶段。

“目前，数字化育种平台的整体架构设计已初步完成，主要由表型数据库、基因型数据库、数据计算和分析平台三个模块组成。”江苏省农科院种质资源与生物技术研究所玉米种质资源创新团队副研究员周玲提到，其中最重要的基因型数据库以从特定品种向多品种迈进。“也就是说，以前只做局部，现在是全局分析，旨在探清资源库‘家底’，从基因组层面追溯种子来源，完善种质的‘身份证’系统，保证筛选出核心种质资源。”周玲告诉记者，目前，已有近1万份种质资源经过基因组测序分析。

在种质资源基因型数据库搭建中，主要依靠基因组二代测序技术。周玲介绍，二代测序的检测流程分为“湿实验”（实验室操作）和“干实验”（生物信息学分析和数据解读报告）两个部分。“我们先从样本上提取DNA进行质检，合格后再送到实验室对样品进行处理和上机测序，产生大量的序列数据，这些数据就是基因组上的小片段。”周玲解释说，之后再利用生物信息学软件，将序列信息转化为可靠的变异信息，再对变异的信息进行判读，方能完成一份样品的检测。“我们无法凭空知道这些作物有没有产生变异，必须要和参考的基因组对比，才能观察到变异的基因。”赵涵说。

作为二代测序非常重要的环节， “干实验”并非一帆风顺。“原先的数据分析软件每天只能分析1-2个玉米品种的基因数据，但我们联系相关科技公司开发了超快速的变异过滤软件后，一天可分析30-40个玉米品种，速率提升约40倍！”

“盘活”种质资源，促进服务与共享

“我们的数字化育种平台的数据将和国家种质资源库对接。”赵涵表示，原先省级的种质资源库全部按照国家标准建设，但如今江苏省种质资源库首先利用DNA对种质资源测序分析，或许以后将成为国家“标准”。

记者了解到，我育成的作物品种中，三分之二以上品种具有江苏省种质资源平台提供优异资源的血缘。相关单位以平台提供的优异种质资源为亲本，共培育出优良新品种（系）303个，累计推广10.3亿亩，在支撑现代农业品种创新与产业发展中发挥了重要作用。

目前，江苏省种质资源中期库对4.9万余份种质材料的评价数据进行了整合，设计开通了“江苏省农业种质资源信息共享服务系统”，实现了农作物种质资源信息的远程查询和实物种质资源的网上预定服务。网络查询服务已突破6.9万人次，有力地促进了优异种质资源的共享。

系统开放服务以来，累计向中国农科院作物所、中国农业大学、南京农业大学、扬州大学等近300家科研育种单位提供种质材料3.5万份次和相应的数据信息。“下一步，种质资源与生物技术研究所和信息中心将聚焦个别优势种质资源（例如水稻、草莓），根据专业特点开展具体实施和分工合作，完成平台框架的搭建。”

“种质资源库不能仅仅保存种子，还要把种子‘盘活’。”赵涵期望，未来数据库建立完成后，能够在全国范围内共享种质信息，并结合数据分析与育种分子技术，建成一个现代化的数字育种平台。

新华日报·交汇点记者 张宣 实习生 孙广哲

图源：视觉中国