林木种质资源信息管理的现状与发展_李志君

林木种质资源信息管理的现状与发展※

李志君　顾万春　李　斌　郭文英

(中国林业科学研究院林业研究所,北京100091)

摘要　介绍了林木种质资源信息管理的概念目的、林木种质资源信息系统建立的基本技术、林木种质资源信息描述规范的制定、相关背景知识和具有应用前景的新技术。介绍了国内外林木种质资源信息管理领域内的研究现状与技术发展状况。关键词　林木种质资源　信息管理　林木种质资源信息系统

种质资源信息管理是种质资源保存的必要保障和种质资源评价工作的有力工具,对林木种质资源的保存与评价显得尤其重要。许多开展林木种质资源保存工作的世界各国和国际组织都重视林木种质资源信息的管理。中国国家“八五”、“九五”攻关计划相关林木种质资源的研究项目中,林木种质资源信息管理技术的研究都被列为项目的主要内容之一[1,2]。

1　概述

1.1　林木种质资源信息管理的概念

林木种质资源信息管理就是在林木种质资源保存、评价的各种相关活动间建立联系(信息流动),汇总分析它们的内容和效果。林木种质资源信息管理包括:林木种质资源的信息收集、整理、储存、分析处理等项工作。林木种质资源信息管理通常又被认为是计算机化的文档系统(documentationsystem)+林木种质资源评价系统(evaluationsystem),即林木种质资源信息管理系统的开发与维护。

林木种质资源信息管理系统是对林木种质资源保存材料的登记信息,动态调查信息和数量、生化分析信息进行储存、管理的计算机化的系统。同时,林木种质资源信息系统为这些信息的查询统计和高级分析提供手段和工具。

1.2　林木种质资源信息管理的作用与目的

1.2.1　储存林木种质资源保存信息、为林木种质资源保存工作提供有力保障

林木种质资源信息管理利用计算机技术实现对林木种质资源保存材料的数量化的描述和这些描述数据的高效存储。林木种质资源保存材料的评价和保存工作的进一步开展依赖于这些信息。所以林木种质资源信息管理是林木种质资源保存工作的数量化保障。

1.2.2　林木种质资源信息管理是林木种质资源评价的有力工具

林木种质资源信息管理对林木种质资源评价的作用体现在2个方面:①记录对林木种质资源保存材料一般特性的评价信息;②通过分析、提高、升华林木种质资源信息,对林木种质资源进行判别评价,最终提出林木种质资源的数量化和模式化的特性指标。

1.2.3　林木种质资源信息管理是林木种质资源利用工作的必不可少的途径

林木种质资源利用是林木种质资源评价的延续,在林木种质资源评价的基础上,提出林木种质资源的若干性状尤其是经济性状的数量化指标,从而为育种利用和林木种质资源保存工作提供信息保障。

该文为“九五”国家科技攻关专题“主要树种种质资源评价与利用研究”(96-014-03-01)研究内容。

收稿日期:1999-05-06第4期　　　　　　　　　李志君等:林木种质资源信息管理的现状与发展　　　　　　　　　13

1.2.4　林木种质资源信息系统的信息服务功能

林木种质资源信息系统为国家和国际范围内的育种工作者和林木种质资源保存、利用领域内制定策略的管理者提供信息服务,提高他们决策的科学性和预见性。

1.3　研究内容

林木种质资源信息管理研究的主要内容可以概括为2个方面:林木种质资源信息的标准化和规范化;林木种质资源信息系统的建立。

1.3.1　林木种质资源信息的标准化和规范化描述

(1)林木种质资源信息的组成[3]

林木种质资源信息主要由林木种质资源的描述信息(descriptorinformation)组成。根据原国际植物林木种质资源委员会(IBPGR)的分类,描述信息包括:护照信息(passportinformation)、属性信息(char-acterizationdata)、基本评价信息(preliminaryevaluationdata)、高级评价信息(fullevaluationdata)4类。认识和了解所要保存林木种质资源的这4类信息的内容是种质资源信息管理的重要步骤。

护照信息:是一些最基本的信息,如识别名称、编号等,护照信息由林木种质保存材料采集时所记录的数据组成;

属性信息:对林木种质资源某些高度遗传的属性的描述信息,这些属性应该易于观察,同时属性的表达应该不受环境影响;

基本评价信息:对林木种质资源的特定数目的性状的描述,如保存材料的繁殖性能、抗性等。这些性状是为林木育种改良工作所普遍需要的,易于进行目估;性状表达可以随环境和种质资源所在种群的变化而不同;

高级评价信息:这一类信息主要是与育种计划相关的性状评价的信息,林木种质资源的描述规范就是根据自身的保存对象、目的和现有的设备条件,以及国际上相应的惯例制定出相对固定的林木种质资源描述标准。

(2)林木种质资源信息描述规范的制定[1～

3]

林木种质资源信息描述规范的制定步骤有:创建描述信息项目清单、规定描述信息项目的内容、修订描述信息项目清单,规定数据表达方式:如描述信息的长度、编码等、创建数据字典、设计数据记录表和数据记录卡片,作为永久保存和计算机录入的原始材料。

制定林木种质资源信息描述规范的条件:首先要考虑通用性——要易于交换、查询和升级,然后要考虑保存材料的特性,再有就是要考虑保存信息的处理工具——计算机的特性;最后要有一定的超前性。因此,具定林木种质资源信息规范时,应该:①充分注意描述信息的遗传方面的有效性,因为林木种质资源信息主要的应用对象还是林木育种工作。②尽可能地将最小的遗传单位用林木种质资源信息表示出来,这样可以更加精确、有效地记录林木种质资源在遗传方面的特性。③对林木种质资源数据的描述可以尽量采用编码来实现。

但是,在林业上对某些性状的描述标准,国内外学者持有不同意见,有些在相当一段时间内无法统一。

1.3.2　林木种质资源信息系统的建立技术[3,4]

开发林木种质资源信息管理系统的任务是,在数据库开发系统的支持下,按照林木种质资源保存的要求,设计和实施一个结构合理、操作方便、效率较高的种质资源数据库及其应用系统。林木种质资源信息系统的开发是一项系统工程,林木种质资源信息系统的开发大致包括以下几个步骤:需求分析,设计E-R图,设计和建立关系模式,建立林木种质资源信息系统的框架,最后收集和组织林木种质资源信息数据,并把它们存储到林木种质资源信息系统中去。

林木种质资源是一种特殊的信息系统管理对象,它首先是一种战略性资源,有着巨大的现实和潜在的经济社会效益;其次,林木种质资源的保存材料为多年生的,林木种质资源地理分布范围广、生态属性　　　　　　　　　　　　　世　界　林　业　研　究　　　　　　　　　　　　　　第12卷14

强;林木种质资源多年生异花授粉的群体属性强;林木种质资源的评价需要多年开展,滚动进行;林木种质资源的分析需要较为复杂的分子手段和统计手段。因此,林木种质资源信息系统不同于一般的信息管理系统,也与农作物种质资源信息系统有着很大的差别,在研制开发林木种质资源信息系统时,必须充分考虑上述特殊性,这就要求林木种质资源信息系统具有如下特点:

·具有较高的稳定性和较为完善的安全保密性,保证林木种质资源这种战略性资源信息安全稳定地保存,同时这也是林木种质资源多年滚动评价的需要。

·具有林木种质资源地理、生态属性数据的表达与分析功能。这就要求把地理信息系统的一些功能结合到林木种质资源信息系统中去。

·较强的统计分析功能,为分析、评价林木种质资源的群体属性提供工具。·为林木种质资源的生化和分子遗传分析提供分析手段和信息存储机制。

2　林木种质资源信息管理的发展现状

2.1　计算机化的林木种质资源信息系统的发展[3～

8]

早期的林木种质资源管理系统,由登记卡片按统一的编号排列而成,查询管理都不方便,随着计算机在信息管理领域上的应用,很多开展基因保存的研究机构都积极地将计算机技术应用于林木种质资源信息管理上。其中值得一提的是,由美国科罗拉多大学D.J.Rogers教授等开发的EXIS系统,它最初叫做分类学数据检索系统(TAXIR),目的是利用电子计算机管理植物分类和博物馆标本。在70年代,该系统作为植物林木种质资源信息管理系统应用于植物林木种质资源保存,FAO和IBPGR曾考虑到将它作为通用植物种质资源信息管理系统,并在此基础上建立了改良型的小型EXIR,这种EXIR系统在一些国家和地区的基因库得到一定程度的应用,如土耳其的伊兹米尔和意大利的巴里。70年代末～80年代初,日本利用从EXIR2.5改进的EXIR3.2版本开发了农林水产研究所的植物林木种质资源EXIS计算机系统。

目前,种质资源数据库应用软件系统的开发工作仍在开展,如SYSTEM+种子信息管理系统(SYS-TEM+SeedManager)、植物研究和标本管理信息系统(BotanicalResearchandHerbariumManagementSystem)、森林可持续经营管理和绘图软件(TreeManagementandMappingSoftwareforSustainableForestManagement)、BG-BASE系统等。这些系统在开发时都充分考虑了植物/林木种质资源信息管理的需要。但是成型的软件系统大多不是为林木/植物种质资源信息管理的单一目的开发的,否则会造成功能多余而缺少灵活性。

从80年代后期开始,随着第4代数据库开发工具平台的成熟和推广,愈来愈多的研究机构将这一类软件应用于林木种质资源信息管理上,第4代数据库开发工具平台提供了丰富的数据管理功能。采用微机数据库开发平台可以在开发种质资源信息系统时充分满足自己的实际需要,从而使种质资源信息系统更加适合各自不同的情况。因此,越来越多的种质资源保存研究机构利用微机数据库开发平台开发更适合。

2.2　国内外林木种质资源信息管理的现状

(1)国外种质资源信息管理的现状[9～

19]

植物/林木种质资源信息管理工作开展得比较好的国家多为西方发达国家,他们的种质资源信息管理一般都有化数据库系统,以及完善的种质资源信息的分发共享和备份机制。不少国家在种质资源信息管理中应用了地理信息系统和网络技术。其中规模较大,成果较为显著的有[10,11]:加拿大植物林木种质资源信息系统(CAPGRIS),1988年开始研制,1993年9月植物林木种质资源保存(PGRC)工作人员使用的CAPGRIS版本投入使用。美国的国家植物种质资源系统(NPGS)中的种质资源信息都保存在种质资源信息网络数据库中(GRIN)。GRIN是一个化的计算机数据库,它包括国家植物种质资源第4期　　　　　　　　　李志君等:林木种质资源信息管理的现状与发展　　　　　　　　　15系统中全部的护照、调查、评价信息和其它处理记录。荷兰的“GENIS”种质资源信息库系统从1985年开始建立,这个数据系统基于DBMSOracle建立的,并且有详细的数据字典记录。信息系统拥有护照信息、属性信息、评价信息,同时记录储存材料的分布、发芽状况以及种子的质量和地点的有关信息。芬兰的种质资源保存工作主要集中在林木种质资源上,芬兰森林研究所(FFRI)设有林木种质资源登记处,这里拥有所有保存材料的全部信息。同时作为IPGRI的EUFORGEN计划的一部分,这部分信息用来参与建立欧洲数据库(EuropeanDatabase)。北欧5国(丹麦、芬兰、冰岛、挪威、瑞典)的北欧基因库(NGB)是1979年1月建立的,目的在于联合开展这一区域的林木种质资源保存工作。该基因库位于瑞典南部。基因库所保存的林木种质资源的信息保存于计算机化的数据库中。澳大利亚有3个与林木种质资源保存有关的管理系统已经或正在开发。它们是:南方树木育种协会(SouthernTreeBreedingAssoci-ation)的树木育种信息基本系统(TreeBreedingDataBaseSystem)、塔斯马尼亚大学的可持续生产林业合作研究中心正在研制一种信息管理系统和西澳大利亚的保护和土地管理局(DepartmentofConserva-tionandLandManagementinWesternAustralia)的树木育种信息管理系统(TBIMS)。新西兰林业研究所基于Oracles数据库,建立了林木育种信息管理系统。日本的林木种质资源保存工作主要由日本林木育种中心的林木种质资源室开展。他们正在建立一个林木种质资源信息系统。该系统由2个数据库组成:异境保存材料的护照信息数据库系统和林木种质资源保存林分图片数据库。

开展林木种质资源保存工作的国际组织也十分重视林木种质资源信息管理工作,FAO在这方面发挥了主要作用。它不仅建立了全球林木种质资源信息系统(World-WideInformationSystemonForestGeneticsResources-REFORGEN)[12],而且与国际遗传资源研究所(IPGRI)和国际农业研究磋商小组(CGIAR)合作研制了TreeSource林木种质资源信息系统[13]。另外IPGRI所进行的EURFORGEN计划也建立了具有统一的信息描述规范的“欧洲林木种质资源信息系统”(EuropeanDatabase)[14]。世界保护监测中心(theWorldConservationMonitoringCentre—WCMC)还建立了国际互联网上的GFIS,是一个综合性森林的多样性保存和林木种质资源保存的信息系统[15]。

(2)国内林木、农作物种质资源保存信息管理现状中国农作物林木种质资源信息系统(CGRIS)[16]

该系统是由中国农业科学院作物品种资源研究所开发的,是国家科技攻关的研究课题。CGRIS是1991年建成的,它的管理系统是由Foxpro2.5与C语言混合编程的。系统的7个子库分别是:国家种质管理数据库,现有30种作物,65万份种质;种质特性评价鉴定数据库,现有160种作物,33万份种质;国内外种质交换数据库;多年生野生圃管理数据库;国家青海复份种质库数据库;主要粮食作物和部分经济作物优异种质特性评价鉴定数据库;中期库管理数据库。经过“七五”、“八五”研究开发,现已形成了由上述7个子库和多个分析评价应用软件组成的多功能的综合林木种质资源信息系统。

中国国家林木种质资源信息库及其管理系统[1,2]

国家林木种质资源信息库及其管理系统的研究和开发是“八五”国家科技攻关“林木种质资源收集、保存和利用研究”的一个重要内容,它的目的是,为林木育种和森林多样性研究提供优质、丰产、高效、抗病虫害及特异品质的林木种质资源信息,直接为营林生产服务,并为决策部门提供决策依据,为各地林木种质资源管理提供实用技术。该系统由3个子系统,4个二级子系统(群体、家系、优树、无性系),2个二级子系统的框架(育种群体林、原地保存林)组成。其中的1个子系统由国家林木种质资源信息库管理系统和信息库特性评价系统2部分组成。

国家林木种质资源信息库信息管理部分:按照群体、家系、优树、无性系、育种群体林以及原地保存林分树种管理。设计这个子系统主要目的是便于原林业部、各林木种质资源库(点)、良种研究与生产单位及时掌握林木种质资源的基本情况、保存情况和评价利用现状等。该子系统随时可为用户查找被保存的各类林木种质资源在国家林木种质资源保存的位置、单位、数量、质量,形成所需的中英文报表和报告,供决策部门掌握动态,为林木遗传改良和良种生产提供充分必要的信息与物质。

林木种质资源信息库特性评价部分:覆盖全国2/3以上,用于营造速生丰产林面积占95%左右的　　　　　　　　　　　　　世　界　林　业　研　究　　　　　　　　　　　　　　第12卷16

29个主要造林树种(属)、群体、家系、优树、无性系共1万余份,约100万个项目800万个数据,进行林木种质资源定量评价。

目前的国家林木种质资源信息库及其管理系统采用FOXBASE、BASIC汇编语言等混合编程,实现了信息管理和评价一体,分析与报告匹配方面的较为完善的功能。“九五”期间将在原有信息系统的基础上建立“林木种质资源信息管理评价系统ForWindows版”,它将具有更强的通用性和高效性。

3　林木种质资源信息管理领域内的技术发展

3.1　电子地图技术和地理信息管理系统的应用

地理信息管理系统是多种学科交叉的产物,它是以地理空间数据为基础,采用地理模型分析方法,为地理研究和地理决策服务的计算机系统。地理信息系统是60年代开始迅速发展起来的,目前在林木种质资源信息管理中已经得到较多的应用。林木/植物种质资源分布广、面积大、环境多样,种质资源尤其是林木种质资源的空间性强。采用地理信息管理系统技术所提供的空间信息不仅可以提高林木种质资源的保存、评价、管理和决策的效率,而且往往能得到其它技术和方法所无法得到的效果。目前,已经和正在采用地理信息系统技术的有乌克兰林业研究所和澳大利亚塔司马尼亚大学等。作物种质资源领域内的中国农科院也在其CGRIS采用了电子地图技术。

3.2　网络技术中的局域网和国际互联网的应用

(1)局域网技术

局域网是一种共享计算机资源的技术。在林木种质资源信息管理上,它常常被应用于林木种质资源保存机构相对较小范围内,共享计算机信息和设备,提高林木种质资源信息管理和使用的效率。例如:瑞典的NGB就将局域网技术应用于一套IBMPC及兼容机组成的种质资源网络信息系统中,加拿大的CAPGRIS也将局域网技术应用于其农用植物种质资源信息的管理中。

(2)国际互联网技术

国际互联网已成为全球最大的信息资源基地和信息获取、分享、利用的最常见最实用的手段。它信息容量大、传播速度快、覆盖面广、反馈直接,具有开放性、公开性和自由性的特点。国际互联的这些特性为其在林木种质资源信息管理上的应用提供了巨大的潜力。它可以提高林木种质资源信息的收集、管理和交换的效率,最终促进林木种质资源的保护、评价和利用效率。目前采用这种技术的有:美国的GRIN林木种质资源数据库,北欧5国NordicGeneBank的种质资源信息系统。

国际互联网有它的特点,林木种质资源信息作为一种资源有着重要的战略价值,共享种质资源资源信息的筛选,但保密工作也是一项重要的课题。

3.3　多媒体技术的应用

多媒体数据有字符数值、文本、声音、图形、图像(包括图形、位图图像、动画和视频)等类型。但这些信息不规则,没有一致的取值范围,没有相同的数据量级,也没有相似的属性集,用传统的关系型数据库来处理很困难。随着多媒体技术的不断发展与推广,所能处理的林木种质资源信息的形式更多样化了,同时林木种质资源研究工作的发展也需要种质资源保存材料的多媒体信息。目前,最主要的是图像,对于描述保存材料的外观特性、种质资源的生化和分子生物学分析图谱,是非常必要的。其它如声音、动态视频等对于描述保存材料特性也有相当的应用前景。

4　小结

(1)林木种质资源信息管理是林木种质资源专业知识与现代信息技术的结合,分属于林木种质资源保护与信息管理2个领域。伴随着信息技术的高速发展,它已经成为林木种质资源相关工作的活跃点之第4期　　　　　　　　　李志君等:林木种质资源信息管理的现状与发展　　　　　　　　　17一。目前林木种质资源信息管理研究热点主要集中在:地区、全球范围的林木和作物种质资源信息网络系统(InformationNetwork)的建立,实现大规模种质资源保存工作协调开展和种质资源信息的大范围共享。相关主题包括林木种质资源信息的分级技术、标准化的林木种质资源信息描述规范以及网络技术在林木种质资源信息管理中应用的研究;林木种质资源信息的分析、评价技术和数量化、模式化技术的研究;多媒体、地理信息系统等技术在林木种质资源信息管理中的应用研究。

(2)我国林木种质资源信息管理工作面临的困难与发展前景:林木种质资源观测、收集、入库3个环节具有高度困难性、野外性,种质资源生态环境复杂,需要多年动态地观察。林木种质资源信息管理未知领域和急需研究解决的问题较多。一些林木种质资源保存工作所面临的难题往往可以在林木种质资源信息管理上找到突破。因此,林木种质资源信息管理水平的不断提高必将为林木种质资源保存、利用的研究开辟更为广阔的前景。

科研机构和省级各地方、以及各个保存库点的科研水平差距较大,具体体现在人才和手段上,种质资源信息管理专用人才的培养和信息管理基本设备十分欠缺。只有加强种质资源信息管理综合人才的培养和国内国际间的交流,同时加强各地方和保存点的基本设备的建设,才能从整体上提高我国种质资源信息管理的水平。

林木种质资源信息管理方面资金不足。目前,国家林木种质资源信息库建立和管理仅靠国家攻关专题内的少量经费维持,而需要做的事情还很多。譬如,全国124个林木良种繁育中心保存的8万份种质,仅需不太多的经费便可将种质信息入库。又如,全国自然保护区和森林公园的林木种质资源信息混散不清,急需调查入库等。因此,国家决策部门应该加大种质资源信息管理技术基础研究的投入。这样才能适应国家可持续发展战略在林木种质资源保存利用上的要求。

参　考　文　献

1　顾万春,王棋.森林林木种质资源学概论.北京:中国科学技术出版社,1998.2　顾万春.中国林木种质资源保存现状.世界林业研究,1999,12(3):45～49.

3　BrainFord-Lloyd,MichaelJackson.Plantgeneticresource-anintroductiontoitsconservationanduse.Edward.

ArnoldLtd.London:1986.

4　刘伯彦等译.EXIS数据库管理系统.国外农业科技,1984,1(117):15.5　王珊主编.数据库与数据库管理系统.北京:电子工业出版社,1995.

6　[网]OxfordForestryInsitute-Database.http://www.plants.ox.ac.uk/ofi/databases.htm.1998-12-12,1～

3.

7　[网]Trema-TreeManagementSoftware-Homepage.http://www.trema.co.uk.1998-12-8,1～2.8　[网]BG-BASEHomepage.http://rbge-sun1.rbge.org.uk/BG-BASE.1998-12-8.1～5.9　王世耆.国外种质资源信息系统发展状况。计算机农业应用.1990,(增刊):15～16.

10　张贤珍译.种质资源信息网络.植物林木种质资源译丛〈一〉.北京:中国农业科技出版社,1986.

11　[网]CanadaCountryReportChapter3.http://web.icppgr.fao.org/CR/CR/CANA/3.htm.1998-12-12:1～

7.

12　[网]USACountryReportChapter3.http://web.icppgr.fao.org/CR/CR/SWED/3.htm.1998-12-12:1～9.13　[网]NetherlandsCountryReportChapter3.http://web.icppgr.fao.org/CR/CR/NETH/3.htm.1998-12-12:1～9.

14　[网]FinlandCountryReportChapter3.http://web.icppgr.fao.org/CR/CR/FINL/3.htm.1998-12-12:1～

3.

15　[网]SwedenCountryReportChapter3.http://web.icppgr.fao.org/CR/CR/SWED/3.htm.1998-12-12:1～

8.

16　C.P.Hansen.TheFAOWorld-wideInformationSystemonForestGeneticResources.ForestGeneticRe-

　　　　　　　　　　　　　世　界　林　业　研　究　　　　　　　　　　　　　　第12卷18

:～68.sources.No24.FAO,ROME,1996

17　[网]GermplasmDocumentation:Databaseshttp://www.cgiar.org/ipgri/doc/dbases.Htm1998-12-29:1～2.18　[网]TheEUFORGENPiceaabiesNetworkmeeting.http://www.cgiar.org/ipgri/EUF.../opocno.htm.1998

-12-18:1～15.

19　[网]ForestInformationServicehttp://www.wcmc.org.uk/forest/data.1998-12-29:1～2.20　张贤珍,曹永生.中国农作物林木种质资源信息系统的新进展,作物品种资源,1996,(增刊):1～3.

GeneralReviewonPresentStatusandDevelopmentTrendofForestGeneticResourcesInformationManagement

　LiBin　GuoWenyingLiZhijun　GuWanchun

Abstract　Theimportanceandconceptofforestgeneticresourceinformationmanagementarede-scribed.Threeaspectsinthemanagementofforestgeneticsresourcesinformationarediscussedinde-tail:theconstructionofacomputerizedinformationsystem,themakeupofdescriptorstandard,andthespecificconsiderationneededinthemanagementprocesses.Specialimportanceisputtedonangen-eralreviewofthepresentworld-widestatusanddevelopmenttrendinthefieldofforestgeneticsinfor-mationmanagement.

LiZhijun,GuWanchun,LiBinandGuoWenyingworkintheResearchInstituteofForestry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China.