智能化畜禽基因库助力种业振兴

2022-07-06王桐北京田园奥瑞生物科技有限公司

中国畜牧业 2022年11期

文│王桐（北京田园奥瑞生物科技有限公司）

种业振兴的关键是核心技术“解卡”，“解卡”的关键是“武器装备”自主研发制造，即拥有自主掌握核心技术、方案以及软件系统的智能控制畜禽基因库。要做好种质资源保存，不仅要建好基因库，还要做好遗传物质超低温保存相关设备、技术、试剂的配套研发制造，联合科研、应用单位做好推广与应用。

建立智能化畜禽基因库，打造高水平研究种质资源研究利用服务平台，对于提高畜禽种质资源的保存、研究、创新能力，具有十分重要的战略意义。将中国畜禽种质资源以超低温保存的方式固定，用智能控制基因库将遗传物质以及数据信息保存管理，实现种质资源自主可控、基因信息闭环安全，以达到“物质”“数据”双保险的目的。一手端牢“碗”，一手握紧“剑”，坚决打赢种业“翻身仗”！

一、我国畜禽种质资源现状与保种的意义

截至2021年年底，我国已查清摸实948个畜禽品种及分布、鉴定优质特色新种质资源18个，国家家畜基因库抢救性保存种质资源遗传物质5万份。中国畜禽遗传资源普查及保存保护工作为全国、全世界交上了一份关于畜禽种质资源普查、保存、保护的成绩单。在这份成绩单的背后，以智能化基因库体系与精液冷冻技术体系为支撑的畜禽遗传资源静态保存发挥了越来越重要的作用。

我国家畜基因库遗传资源保存总量跃居世界首位，达到120万份。目前我国有159个国家级畜禽遗传资源保护品种，其中147个已经采取了动态保种方式建立保种场或保护区。与此同时，各地政府与相关责任单位也在积极推进各级畜禽种质资源库暨畜禽基因库的建设。我国作为世界范围内畜禽种质资源极其丰富的国家之一，拥有珍贵且丰厚的动物基因宝库，具有雄厚的畜禽种业振兴与创新的基础。畜禽种质资源属于战略资源，关乎国家安全的观念已经深入人心，在全国畜禽遗传资源普查工作取得突出成就之后，时代赋予我们的使命与职责是进一步保存好、把握住处于动态变化中的种质遗传资源，站在国家战略与利益的高度上为行业进步、科学研究、产业应用等构建以遗传物质保存与基因信息安全为核心的全新平台。

世界上用以保存畜禽遗传资源的方法主要有活体保存与基因保存两大方向。活体保存的缺点突出，需设立专门区域、维持一定种群，其维护成本十分高昂，且某种程度上一些遗传物质特质会随着个体消亡而丢失。血样、配子、胚胎、体细胞等保存方法也有较为广泛的应用。从多年实践经验来看，基因库建设配合冷冻精液技术是畜禽遗传资源保存优秀有效方案，具有很大实用价值与推广前景。

我国现有国家级畜禽遗传资源基因库6座，涉及家畜、家禽以及蜜蜂等物种。位于北京的国家级家畜基因库是惟一一家主要以冷冻保存为保种形式的国家级基因库。其始建于1997年，探索使用超低温保存技术保存多物种遗传物质的方法以及基因库的管理经验与模式，为我国后续发展以冷冻形式保存遗传物质的基因库做出了巨大贡献。

二、发展智能控制畜禽基因库的重要意义

畜禽种质资源的保存、保护与利用，是关系到国家百姓食品安全、守住红线的战略行为，是我国畜牧业保持健康、自主、持续发展的重要基础。我国畜禽种质资源保护面临着遗传多样性不断减少、资金不足，技术落后等诸多困难。

畜禽基因库是一项服务于种业振兴国家战略的重大科技基础设施，对畜禽遗传资源进行存储、基因数据读取、信息开放共享，可以对挖掘基因资源潜能，支撑种业科学研究与畜禽产业创新起到关键作用。并可拓展为综合性多物种遗传资源基因库。可对地方优质畜禽品种遗传资源收集保存加以利用，对引进特别优秀个体遗传资源进行收集保存。通过超低温冷冻技术，保存物质包括但不限于精子、卵子、胚胎、血液等。部分替代活体保种，达到长时间、高效稳定保存超大量遗传资源的目的。在保存“物质”的同时，可通过智能化数据管理建立高效的信息处理、储存的方法与流程，形成种质资源研究和创新的平台，对于我国畜禽种质基因库建设专栏资源的保存保护与利用、种业安全意义重大，满足种业振兴的核心诉求—种业安全！

三、智能化畜禽基因库构成

基因库数字化建设按需求划分为智能现场控制器、中控数据网关，中控前端、中控平台，监控前端，传感器组六部分。

智能现场控制器与液氮罐内安置的传感器组相链接。智能现场控制器间隔一定时间（可设定时间间隔）从传感器组上读取液氮罐内的液氮液位和温度数据，并将数据显示在屏幕上。智能现场控制器具备显示实时数据、对异常数据发出声光报警（根据设置）的功能，工作人员手工操作，控制液氮电磁阀门加注或者停止加注液氮。

中控数据网关会将液氮罐的实时数据保存到数据库服务器中，同时，会将实时数据转发给中控前端和多个监控前端，供相关应用实时刷新和展示数据变化情况。

中控前端可获取和展示实时数据，远程遥控智能现场控制器，遥控开启或停止加注液氮等操作。

中控平台具备一系列数据处理和分析功能，如：历史数据查询、历史数据曲线等，还可以用来管理入库、出库、库存的基因数据，是整个系统的运行大脑，从全局监测整个基因库的运转情况。

历史数据的长久保存有赖于数据库采用的双机热备NoSQL服务，以便于从长期数据中分析当前库区的液氮罐运行情况，查找潜在隐患，力争做到防患于未然。

监控前端仅用于展示基因库全库的实时运行情况和基因数据，为保证安全性，其不能对智能现场控制器发送指令修以及相关数据的修改。

基因库数字化建设利用了计算机网络技术、分布式数据库技术、IoT技术、传感器和远程控制技术等，并将其进行整合，可基因库智能化监测和运营水平大幅提升，提升单库及多库的整体运行效率。有了数字化、智能化建设等坚实的技术基础，未来在全国范围的多库互联，数据共享、统一调度、统一监控将成为现实。

智能化畜禽基因库的设计、建设、落成可实现可扩展的基因库架构、中央系统控制、液氮罐数据实时监控、实时温度数据曲线、实时液位数据曲线、液氮罐故障自动声光报警、故障自动远程报警、自动加氮、远程加氮、历史数据曲线、基因数据库管理、样本入库、库存管理、样本出库查询、报表统计等功能与工作。

四、智能化畜禽基因库执行方案

根据某省实际使用需求，综合考虑未来5～8年甚至更长时间内的样本存储量条件，省内全物种遗传材料收集应做到有效、安全的保障。在完成遗传材料的长期稳定储存及数据可追溯标准实验室化管理。还应该考虑存放地在使用和接收液氮时的方便性及操作人员的安全性。

结合国内外现阶段畜禽基因库建设情况，在硬件设备配置上不推荐杜瓦罐或自增压液氮罐做液氮补充。采取液氮塔进行液氮补给，其优势在于液氮塔安全性高，挥发量小，寿命长，综合使用成本低。配置20个175升基因库专用液氮罐，可以很好地贴合基因库样本管理系统做好数据可追溯，管理分级别的多样化管理方案。此方案可以有效保障80万～100万份的遗传材料储存能力，并且可随着储存量的增大而进行扩增。

技术方案涵盖液氮远程监控及软件、硬件相结合的集成配置，从下至上按需求划分为传感器组、智能现场控制器，中控数据网关，中控平台，中控前端和监控前端，六部分组成。

1.展示系统。

（1）自主设计展示形式，多屏显示内容。

（2）自主编辑显示内容，单位信息、种源种业信息、地方物种情况等。

（3）展示形式多样，文字、动画、图片相结合的互动展示模式。

（4）虚拟现实展示、教学、宣传功能。

2.储存补给。

（1）液氮罐。

（2）液氮塔。

（3）总控制系统。

（4）液位和压力。

3.生物样本存储功能系统。