潘静娴, 宋韵琼, 张朝阳, 李蒙蒙, 崔丽洁*

(1.上海师范大学 生命与环境学院 植物种质资源开发协同创新中心,上海 200234;2.上海市闵行区农业技术服务中心,上海 201109)

园艺作物种质资源管理及数据库建设研究综述

潘静娴1, 宋韵琼2, 张朝阳1, 李蒙蒙1, 崔丽洁1*

(1.上海师范大学 生命与环境学院 植物种质资源开发协同创新中心,上海 200234;2.上海市闵行区农业技术服务中心,上海 201109)

简述了国内外园艺种质数据库的现状,主要分析了数据库建设中的关键技术,尤其是数据采集标准的制定,并就未来数据库的发展和存在问题进行了展望.认为应加快园艺种质数据库的建设,增加作物收集的种类,并建立信息共享系统.涉及作物更广泛、共享性更强.

园艺作物; 种质资源; 数据库

种质资源是指农作物的特定材料或品种,前者包含了新育成的中间材料、遗传材料以及野生近源种,而后者通常是指地方优质或推广品种[1].收集、保存、更新、利用种质资源,建立种质资源库是世界各国都非常重视的工作,是关系到食物和生态安全[2],也关系到人类生存和发展的国家战略.

创建数据库来管理农作物种质资源是现代种质资源管理的重要手段.目前,国内外已建立了不少大型种质实体库和数据库[2-3],如美国国家植物种质资源系统(NPGS)就是一个包括了国家种子贮藏实验室、地区引种站、国家种质资源实验室和植物探险家组成的网络系统,已经在全球范围内收集了44 000个植物种质[4],并通过国家种质资源实验室实现种质的不断收集和交流[5].挪威诺亚方舟种子库,利用天然环境保存了全球主要的农作物种子,到目前已经收集了1 700种农作物种子,保存了700万份样本,其中150万份为完全不同的样本[6].中国国家作物种质资源库数据库系统(CGRIS)是世界第一大种质库,拥有种质33.4万份[1],实现了种质数据采集,数据库和信息系统创建的多平台共享服务.不仅如此,种质库的创建还向着挖掘遗传数据方向发展,目前已创建了小麦[7]、水稻[8]等主要农作物种质的DNA指纹数据库[9],瑞士还建立了葡萄SSR分子标记数据库[10],随着分子标记技术的发展,未来建立的分子标记数据库的作物种类将不断扩大.

园艺作物是农作物的重要组成部分,相比其他农作物种质,园艺作物种质数量更多,变异更快,地方品种也更为丰富.如北京农学院收集的国内外百合种质资源就有1 000种之多[11],上海师范大学宋韵琼等[3]收集了普通白菜种质1 350种左右,德国保存的葡萄种质多达5 814份[12].而采用传统纸质保存这些种质,文件数量太多,快速查找也非常困难[1,13],因此,进行园艺作物种质资源数据库以及查询管理系统的建设,不仅有利于生存资料的保存,也有利于种质的生产、利用和创新.本文作者基于建立普通白菜数据库的经验,综述了国内外园艺作物种质资源管理的概况,分析了种质数据库创建的各种技术手段及其应用等,以期为其他种质资源的创新和数据库管理系统的建设提供借鉴.

1 国内外园艺作物种质资源管理概况

种质资源不仅是人类赖以生存的生活资料,也是重要的基因资源,是新种质创建不可缺少的基础材料.拥有优良的种质资源就占领了生存和发展的主动权,因此,具有发展前瞻眼光的国家和地区都在种质资源收集、整理,数据库建设、创新等方面投入不少人力和财力进行基础性研究.中国在“十五”期间启动了科技创新公共服务平台建设,制定了《国家中长期科学和技术发展纲要(2006-2020)》,明确提出了建立完备的植物、动物种质资源,微生物菌种和人类遗传资源,并建设科技资源信息化的数字科技平台[14].种质资源的拥有和管理系统的建设以及共享化利用,已在全球广泛开展.

1.1国外园艺作物数据库发展概况

在种质资源信息化共享平台建设中,国外及相关组织做了不少工作,但独立的园艺作物种质资源信息系统并不多,或是存在于大型种质数据库中,或是大型数据库的子数据库[15].20世纪70年代,美国、日本、法国等借助于发达的计算机技术,建立了不少大型种质资源数据库,部分实现了全国或地区的网络系统[16].其中大型平台有国际植物遗传资源委员会(IBPGR),于1988年批准的8种作物遗传资源协作网的建设,园艺作物包括香蕉和秋葵,随后扩大到芭蕉属植物、苹果、柑橘类、菜豆类、樱桃类、向日葵等多种园艺作物[15].而且该组织还收集了丰富的园艺作物种质,1974～1984年的10年间,收集了蔬菜种质5 500份,包括葫芦科和十字花科的主要蔬菜类型以及菠菜,热带水果和干果2 200份,温带水果和干果320份[17].美国是世界上种质保存最先进的国家,早在1990年就建立了美国种质中心网络系统(GRIN),其中不少为园艺作物的分库,如GRIN葡萄分类数据库(www.ars-grin.gov/cgi-bin/npgs/html/tax_search.pl?vitaceae)[4,18],果树品种数据库包括5万份信息.其他大型国际植物种质资源网络平台[16]还有俄罗斯遗传资源信息网、日本作物种质资源信息系统(EXIS)、国际植物遗传资源信息系统(SINGER)、国际作物信息系统(ICIS)[19],而园艺作物分库大多存在于这些大型数据库网络系统中,如日本EXIS包括的果树种质信息有数千条.除大型种质库之外,各国也建立了一些园艺作物及品种的独立数据库,如欧洲葡萄数据库、国际葡萄品种目录、希腊葡萄数据库等[18].总体来看,国际上种质资源数据库在实体库建设的同时,非常注重大型数据库网络系统的创建,而园艺作物多属于大型数据库的成分,这可能与国外园艺作物种类及品种相对偏少有关.

1.2中国园艺作物数据库发展概况

中国是世界园林之母[20],除此之外,蔬菜、果树种类及品种资源也极为丰富[21-22].面对如此丰富的园艺种质,如何科学地保存和快速地查询相关数据是一个亟待解决的问题.中国在园艺植物种质保存、繁育创新和种质信息化共享平台的建设上做了很多工作,取得了一定成绩.从种质实体库来看,国家和地方层面的种质圃建设成效显著,不仅以种子和整株的形式进行保存,而且还采用各种离体方法来保存种质[23].截至2007年8月,国家库长期保存了33.3万份种子,32个国家资源圃保存了3.8万份种质,其中已有80%的蔬菜地方品种入库保存[24].园艺作物种质虽然大多含在大型种质库中,但也建立了种质专业圃,如桃在郑州、北京和南京建立了国家圃,梅、枣、苹果、梨、李、核桃、葡萄、橄榄等随后也建立了国家圃[25].不少蔬菜种质也建立了专业圃,如武汉蔬菜所国家水生蔬菜资源圃保存的是无性繁殖的水生蔬菜种质[22].

在种质资源实体库建设的同时,中国也在加紧建设种质资源网络系统,以实现种质资源大数据的管理,并且是国家和地方层面的网络共建,但园艺作物,尤其是观赏植物数据库的网络建设相对较晚[26].同样地,中国园艺作物种质信息系统或是以子系统存在于国家作物信息系统中[2],或是以独立数据库存在,但各地根据自己的资源优势建立了不少园艺种质的独立数据库.始建于1986年的国家农作物种质资源平台(http://www.cgris.net),除主要粮油作物种质库外,还建立了白菜类、甘蓝类、西甜瓜等各类蔬菜,以及苹果、梨、杏、梨、核桃等多种果树种质的信息子系统[1],这些信息系统为各类需求提供了科学快捷共享的优质种源.此外,各地也在建设农作物种质资源信息平台,园艺作物则以子系统或独立系统存在[1].如广东省于2004年建成了蔬菜种质资源数据库,涉及白菜、菜心等17种蔬菜1 642份种质信息,还包括了图片信息[27].甘肃省建立了13个主要油橄榄资源信息服务平台[14],广东省建成了中国唯一的包括80多份木菠萝种质的电子数据库[27],其他省市及相关的科研院所也建立了不少园艺作物数据库,如重庆[28]、广西[29]、西藏[30]等建设的地方植物或作物种质资源数据库.此外,园艺作物数据库作物种类也越来越多,三大园艺作物均有涉及,如花卉数据库[31-32]、红掌[33]、红枣[34]、大蒜[35]等,未来可能还会开发出种质资源少的园艺作物数据库.

2 园艺作物种质资源数据库信息系统建设

种质资源数据库的实现涉及到资源收集、数据采集、数据库结构及功能设计、运行管理等多个环节.

2.1资源收集与数据采集

种质资源的收集是数据库建设的基础.不同类型数据库种质的需求数量和质量是不同的,大型数据库包含的种质类型多样,有粮、棉、油,又有蔬菜、果树、中药材等[1-2,4,6].种质来源,不仅来自管理者组建的考察队在世界各地进行收集,也来自协议承担国或国内其他省市向种质库的输送.如IBPGR在1974～1984年间先后资助了300多个考察队在88个国家进行植物种质资源收集,获得了作物栽培品种和野生品种10万份以上[17].中国农科院国家种质库则承担了全球油菜、大白菜、萝卜和亚洲小麦的长期保存任务[15],这些工作为作物遗传资源协作网的建设提供了大量真实的种质材料.挪威诺亚方舟种子库[6]的大量种质来自美国致力于保护珍稀蔬菜的组织.此外,总部在叙利亚的世界干旱地区农业研究中心(ICARDA)几乎将所有收集到的种质送往了该种质库.中国国家农作物种质资源平台的种质收集则是种质中期库向长期库提供新收集的种质,地方库向国家库提供种质的模式[2].中国各省市或科研单位建立的粮、棉、油和园艺作物数据库,尤其是园艺作物的独立数据库,其种质来源则是建设者长期收集或与兄弟单位交流保存获得,相对比较松散[3,33].因此,大型种质数据库种质来源更多是协作成员的提供,小型数据库则是建设者自身的长期收集和积累.

种质信息的采集是数据库建设的重要环节,关系到数据库能否有效地被利用和共享.每一种质包含的信息非常多,选择采集的信息比较困难.建于早期的数据库,无论是国外的还是国内的,种质信息多是形态数据,也包含了一些生态数据;数据采集方法各国也不统一,缺乏规范性标准,信息差异大.而后期建设的数据库数据信息不仅包括形态、生理数据,还采集了遗传信息[9,12,28],数据的形式不仅是文字和数字,还有多媒体数据[3],数据采集的方法也更规范.国际植物基因资源研究所(IPGRI)等组织自20世纪80年代以来,组织专家制定了苹果、梨、桃、葱等作物的描述符,使种质性状描述具有国际语言[36-37],中国也依据IPGRI标准,建立了不少农作物的描述标准[38-40],如陈灵芝等[41]建立的辣椒数据库就是根据辣椒种质资源规范化标准,采集了34个信息,分属于基本信息、性状调查信息、抗性和图片数据.张娟等[42]依据IPGRI标准制定了高葶韭的描述符.由此可见,随着更多农作物种质描述规范的制定,数据采集将更有依据,但数据库字段数量也更多,早期数据库也可以根据规范进行更新.当然,规范是推荐性的,若考虑数据库在国际和国内的信息共享,数据描述符应统一[43].

2.2系统设计

2.2.1 系统结构设计

无论大型还是小型种质数据库,在结构上均采用模块化结构以实现系统不同的功能.对于一个种质资源的独立数据库或大型数据库的子数据库,通常包括2个或以上的模块,两个模块常由前台和后台系统组成[3],前台系统为用户提供各种种质的检索服务,后台系统则是管理者进行系统更新维护的模块.多个模块基本是将前台系统的一些功能细化,分离出来成为独立模块,如王冉冉等[11]的百合数据库包括了信息查询检索、信息交流和管理模块,边黎明等[44]设计的鹅掌楸属植物数据库则包括了4个模块,而冯颖[12]建立的油橄榄数据库包含了8个模块.模块化结构设计避免了程序的冗长和混乱,实现了系统的功能独立和高效维护.

2.2.2 系统实现技术

借助计算机网络技术,采用ORACLE、FoxPro、FoxBase、SQLServer等数据库开发软件[2],是实现基于Internet数据库系统的重要手段.不同时期的种质数据库,受制于计算机技术,开发工具也不同.在微软推出Windows 95之前,操作系统仍然是MS-DOS系统,因此,早于1995年前建立的种质数据库只能在MS-DOS系统下运行,而且是单机版软件.如早期的中国国家作物资源数据库系统[2],数据库开发语言也是只适合DOS系统的,如FoxBase.独立操作系统Windows出现后,开发了基于Web平台的种质数据库系统,实现了网络化应用.开发软件为FoxPro、SQLService等,而大型种质资源数据库则采用ORACLE开发.国家作物资源数据库采用的是WebGIS[1],普通白菜品种资源库采用的ASP.NET开发工具[3],百合种质数据库[11]采用的是MySQL,是一个开放源码的小型关联式数据库管理系统.油橄榄数据库[14]采用了Java、ASP等设计语言.总之,随着计算机技术的不断发展,种质数据库开发环境和工具将更为便捷和多样.

2.3数据库功能设计

园艺作物种质数据库功能多采用的是结构化程序设计,即将系统功能集中为分层独立的实现单元模块.功能模块通常有两个或两个以上.两个功能模块一般是由前台和后台功能组成[3,11,29,42],前台模块面向用户,实现种质资源的查询、检索、在线服务等,在线服务也可以放到后台模块.如普通白菜品种数据库[3]前台具有按产地、育种单位、生态特性、抗性等字段进行检索的功能,用户可方便找到需要的品种信息.而有的数据库前台功能比较强大[45],如中国森林种质资源网(www.fgr.cn)包括了主页、种质在线、种质查询、会员注册、种植专家、种苗标本等11个子功能.后台功能模块多是面向管理者的操作平台,一般实现种质信息管理、在线服务、用户信息管理等,管理者可以进行种质信息增减、修改信息等,并与用户进行互动,用QQ或其他交流工具,同时对用户的使用情况进行统计分析[3].有些数据库在后台中也会给种质发布者一个登录通道[44].多于两个的功能模块设计主要是将前台或后台中的一些子功能分离出来,成为独立模块,或不分前台、后台,即不分层,而是直接形成多个独立模块[14,28,34].总体来看,模块化的分层独立设计是数据库功能设计的主要方式,极大地提高了数据库的兼容性和扩展性.

3 展 望

从世界范围来看,各国都在不遗余力地建设农作物种质资源数据库,并取得了重要成果.实现全球共享的种质数据库不断出现,尤其是种类繁多的园艺作物,更是数据库建设的关注对象,并将与大数据相结合.然而,种质数据库的建设是一项长期的基础性工作,涉及的环节非常多,从种质收集、整理、鉴定,数据采集到数据库的建设、应用和更新维护,都需要投入庞大的人力和财力,短期内也不可能有显著的成果.还要注意,通过各种方式收集的种质,尤其是园艺作物,必须经过田间或实验室鉴定,才能获得遗传学上的真实种质.园艺作物种类多,品种丰富,市场上种质同名异种或同种异名或多名的现象普遍存在,因此,获得的种质鉴定后才能使用,这项工作十分繁琐.而在种质信息采集的描述规范上也存在问题,大型数据库采用描述符规范,但各国间可能也会有所差异,而小型数据库,对描述符标准的使用就不太规范,甚至不使用,还有一些小作物没有描述规范.因此,不仅要规范使用描述符,而且要尽快制定缺乏规范作物的描述符,以实现种质数据库在全球范围的真正共享.

国内园艺作物数据库建设应有计划进行,下一级建设者应该为上一级的种质库提供基础信息和服务,应避免重复建设,使种质得到有效保存、鉴定和利用.另外,数据库上网共享也受到国家网络安全规范的约束,因此,建立的小型库如果不加入到大型种质数据库中,也只能留在个人电脑中,无法实现共享和服务.而中国已出台农作物种质共享平台建设,将为这些问题的解决提供可靠的政策和技术依据.

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[45] 郭起荣.中国森林种质资源保育 [D].北京:中国林业科学研究所,2006.

Guo Q.Conversation of forest germplasm resources for Chinese [D].Beijing:Chinese Academy of Forestry,2006.

(责任编辑:顾浩然,冯珍珍)

Reviewonmanagementofhorticulturalplantgermplasmresourcesandconstructionofrelateddatabase

Pan Jingxian1, Song Yunqiong2, Zhang Chaoyang1, Li Mengmeng1, Cui Lijie1*

(1.Development Center of Plant Germplasm Resources,College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.Minhang District Shanghai Agricultural Technology Service Center,Shanghai 201109,China)

The advances of databases on horticulture germplasm resources from China and abroad was briefly reviewed and the key technologies were discussed in details,especially in descriptors of data collection of germplasm resources.The prospective and challenges of databases were also discussed.It was evident that there was an urgent need to develop the databases of horticulture germplasm resources,with increasing diversity of germplasm,more user friendly and systematically access to the databases.

horticulture crop; germplasm resources; database

S 6; S 32

A

1000-5137(2017)05-0762-07

2017-08-31

上海植物种质资源工程技术研究中心项目(17DZ2252700)

潘静娴(1963-),女,博士,副教授,主要从事园艺作物种质资源收集创新及园艺产品安全性研究.E-mail:panjingx@shnu.edu.cn

*

崔丽洁(1978-),女,博士,副教授,主要从事药用植物分子生物学研究.E-mail cuilj@shnu.edu.cn