新一代模块化遗传育种智能计算机仿真模拟平台Blib
作者单位：中国农业科学院作物科学研究所
会议名称：《第二十届中国作物学会学术年会》
会议日期：2023年
学科分类：0710[理学-生物学] 082804[工学-农业电气化与自动化] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 071007[理学-遗传学] 0901[农学-作物学] 0836[工学-生物工程] 090102[农学-作物遗传育种]
关 键 词：遗传育种 仿真模拟 智能化决策 预测 计算机平台
摘 要：【研究背景】模拟预测既是科学研究的一个重要手段,也是科学化决策的一种方法。育种是一个复杂和长期的过程。不同育种家采用不尽相同的育种方法,理论上或通过田间试验比较不同方法的育种成效是十分困难的。采用模拟方法可以建立较为真实的遗传模型,在育种家进行田间试验之前,对育种程序中的各种因素进行模拟筛选和优化,提出最佳的亲本选配和后代选择策略,从而提高育种过程中的预见性。计算机仿真模拟工具研发是开展模拟研究的前提。【材料与方法】为此,我们构建了一个适合于所有二倍体物种(或减数分裂行为与二倍体相似的多倍体物种)的通用计算机仿真模拟平台,称之为Blib。平台能够处理目前已知的所有遗传模型,包括细胞质信息、细胞核基因组信息、加性-显性效应模型、加性-显性-上位性效应模型、遗传连锁、复等位基因、一因多效、显性和共显性分子标记、细胞质突变、核基因突变、基因与环境之间的互作、细胞质与核基因之间的互作、雌雄配子育性等;可以模拟产生各种类型的遗传和育种群体,包括自交群体、随机交配群体、无性系繁殖群体;单交群体、回交群体、三交群体、双交群体;有选择群体、无选择群体等等。【结果与分析】我们通过四组模拟试验作为Blib的部分应用实例,包括随机交配群体中多个等位基因的随机漂移,有限大小随机交配群体中的中性突变现象,家系混合选择方法的比较,杂交育种中测验种的选择。基于Blib平台,可以开发出适宜于特定物种、特定育种方法、特定遗传现象的各种应用程序和模块,进而模拟优化遗传育种方法,对特定亲本杂交后代的表现进行预测。这些模块能够将大量的遗传信息与育种家的育种需求结合起来,供育种家在开展田间试验之前模拟预测不同的杂交和选择方案,比较不同育种方法的优劣,设计最优的育种亲本和育种方案,育种过程中获得实时决策,最终实现遗传研究、分子设计与传统育种的有机结合。Blib平台相关研究结果已经获得国家版权局计算机软件著作权登记证书(登记号:2020SR123853),并于2022年在线发表于Communications Biology (2022, 5:1167)。【结论】Blib平台及其应用模块为作物育种方法和育种流程的比较和优化、生物信息和遗传大数据的有效育种利用、分子设计育种和全基因组选择等领域的研究工作提供了实用的模拟预测和决策支持计算机工具,为即将到来的基于大数据和智能化决策的育种4.0时代提供必不可少的技术支撑。