一种基于植物功能与结构模型的作物虚拟育种方法技术

一种基于植物功能与结构模型的作物虚拟育种方法。本方法将结合生理和结构作物虚拟生长模型和数量遗传信息，通过模拟作物的生长发育过程，及繁殖过程，达到虚拟育种的目的，其步骤是：采集作物的生理数据、形态数据、数量基因数据和生长环境数据构建原始数据集；基于原始数据，通过计算机图形学的方法和作物生理生态学原理构建作物功能与结构模型；构建遗传模块，包含数量遗传信息，建立从数量遗传信息到相关模型参数的关联；加入对杂交过程中交叉、重组等遗传操作的模拟，实现对作物繁殖过程的模拟；通过对模型中个体的选择和杂交，实现虚拟育种；本发明专利技术的提出能够利用计算机技术实现作物的虚拟育种，从而为传统育种进程提供辅助和支持。

【技术实现步骤摘要】

本
技术实现思路
设及植物生理生态学、植物可视化建模W及作物育种领域，是一种能 够通过=维可视化模型的方式模拟作物育种过程的方法，可运用于对田间作物选育的辅助 和支持。
技术介绍
传统育种具有较为完善的育种理论和技术体系，而新技术的发展，包括生物技术、 基因技术等，能促进了作物育种的成就与发展。目前新兴的辅助育种方式有分子标记辅助 育种、细胞工程育种和基因工程育种等，将分子育种、基因育种等技术手段与常规育种方式 结合起来，能够极大地促进育种水平的提高。然而，目前常规育种方式之外的其它新技术育 种手段还都存在很大的局限，包括该方面研究需要大量技术积累，而且实施起来也需要特 定的仪器和设备支持，该就造成了研究成本的增加，从而在发展过程中与实际育种过程脱 离。而且即使是结合新技术的育种实验也需要较长周期的田间试验，尤其是在目标株型不 确定的情况下缺乏针对性。另外，由于安全性评价和鉴定机制不够完善，相关新育种方式得 到的粮食作物品种的安全性也受到非常大的质疑，该就让该些新技术的发展和推广受到限 制。 作物功能与结构模型是一种比较新的可视化植物模型构建技术，它通过在计算机 上维图形的方式展现作物的形态发育过程，并结合作物的生理过程和特定的环境因素 对形态发育的调控作用，能够实现对作物的空间的结构在时间梯度上的变化。最近，植物模 型研究者们开始将作物的数量遗传信息也加入到植物模型中，从而构建从作物数量基因、 环境因素到主要生理进程，再到形态结构的发育动态该样完全的调控网络。 本专利技术主要植物功能与结构建模方法为基础，构建遗传模块，实现对作物繁殖过 程中的遗传操作的模拟，并构建遗传信息到目标性状的关联，选择主要的遗传相关参数对 生长动态进行调控影响，通过基因的差异性展现表现型的可塑性，最终模拟作物育种过程， 实现作物的虚拟育种，可W结合现在分子育种等新的育种手段，对育种实践进行辅助。该种 虚拟育种方法的提出尚属首次，具有较好的创新性和应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于植物功能与结构建模的技术结合数量遗传信息模 拟作物育种过程的方法，该方法可W较为真实地反映不同基因型个体的目标性状动态发育 表现，从而通过计算机可视化的方式对模拟的作物个体进行虚拟选育，并快速得到不同标 准的选育结果，最终为实际的田间育种过程提供辅助支持。 植物功能与结构建模的技术，是借助计算机可视化的手段，综合考虑植物生长的 外因一-气候因素、±壤因素、人工操作因素等，W及相关的内因一-植物的主要生理进 程、形态发育等，对植物的生长动态实现模拟的技术。通过在植物功能与结构模型中加入数 量遗传信息，就能够构建"基因和环境-生理-形态"交互反馈网络，并维动态的方式 进行展现；再加上对作物个体繁殖过程及其遗传操作的模拟，能够实现对育种过程的模拟。 本专利技术实现虚拟育种所采用的技术方案是：[000引一种基于功能与结构模型的作物虚拟育种方法运用包含生理功能、形态发育、数 量遗传信息和特定环境因素的作物虚拟生长模型和人工选择操作结合的方法模拟作物的 繁殖的育种过程，并包含W下步骤： 步骤1 ;数据采集 通过田间试验、分子试验、基因定位分析和文献捜索结合的方式，采集模型构建所 需的数据，建立原始数据集，其中包含同一目标作物群体的各方面数据：作物生长环境数 据、形态动态生长数据、主要生理进程数据、分子标记和遗传图谱数据、目标性状相关的数 量基因数据等；[001U 步骤2 ;功能与结构模型构建 首先，运用基于规则的植物建模方法，从计算机图形学技术出发，W作物生长原理 为基础，采用扩展的化(extendedkSystems)建模语言、Java编程语言W及实现图形替换 的RGG化elationalGrowthGrammar)语法规则，对作物器官形态进行重建、对生长过程进 行模拟，建立作物结构模型（W水稻为例，即包含茎、叶、穗、巧粒等器官形态建成的可视化 模型）；[001引其次，在结构模型的基础上，加入作物主要生理进程的模拟；运用LEAFC3光合 作用模型，通过设定品种相关的光合参数，特定温度下的最大駿化作用速率Vm2e(ymol m2s1)、光饱和时的潜在光合电子传递速率Jm2e(ymolm2s1)、光合电子传输的活化能量 Ej(J/mol)、C02的动力学参数Kd5(m0l/mol)、02的动力学参数Ka25(mol/mol)等，W及品种 无关的环境参数，比如空气温度L(°C)、空气中C02的浓度Ca(mol/mol)、相对湿度RH、叶片 吸收的双向长短波福射强度而(W/m2)、水平方向的风速Wspeed(m/s)等，模拟叶片内的光合 相关的生化反应、气孔导度、叶片边界的物质和能量传输机制，运用Wkilov等人在1995年 发表在EcologialModelling上（卷（期）；80(2-3);页码；205-235)的算法计算植物叶 片的C02短期稳态通量、水分及热量交换，从而模拟作物通过叶片光合作用产生同化物的速 率，如下式所示：An=f化。Ta, . . .，Vm25,Jm25,...）该里记A。为净光合速率（ymolnTVi)，则每个生长步长所积累的光合产量为： 该里，记Pt为光合产量（ymoU，ai为第i张叶片的面积（m2)，n为作物植株个体 叶片的数目，Atd为模型中一个生长步长（S)，即一天的时间长度，值为24X3600,另外，假 设所有的同化物在分配到器官之前都汇集到一个同化物池中，记为AP(ymol)，则t时刻AP 的增量即为：[001 引AAP=Pt-Gt 该里，记Gt为植物呼吸作用（包括生长呼吸和维持呼吸）消耗的同化物的量，即同 化物池的瞬时增量AAP是时间t的光合产量Pt与消耗量的差；Gt由所有器官的生长量累 加得来；特定器官的生长量由该器官生长函数结合源库模型计算得到；基于Yin等在2003 年提出的beta生长函数，可W由下式计算： 记Cm为最大生长速率，tm为生长速率最大的时刻，t。为停止生长的时刻（即生长 速率为0时），也就是该器官的维度达到最大维度Wm"(长度为m，面积为m2)的时刻（比如 茎达到最大长度或者叶片达到最大面积），进而可W计算在任意时刻t的特定器官的潜在 生长速率grpM;W水稻的株高为例，该里grpM即为t时刻株高的潜在生长速率，将所有器官的潜 在生长速率累加，并乘W时间步长Atd，得到整个植株的库强度sdtM: sdt〇t=EsSpotAtd 因此，可W根据特定器官的库强度占植株个体的库强度大小的比率，计算得到该 器官生长步长内实际生长速率gru,i: 该里的AP为当前时刻的同化物池大小；通过该些生长函数和分配函数的计算，能 够实现整个植株在整个生长周期的发育动态展现.[002引接着，重点建立环境模型中光照模型，模拟太阳光源的位置和福射度变化；虚拟的 太阳光在天空中被分为直射光和散射光，包括他们在=维空间中的分布，W及在到达作物 冠层后被冠层空间的遮挡等，从而实现叶片光合作用中光通量的大小； 最后，运用功能-结构建模技术，结合作物结构模型、生理模型和环境模型，W时 间为轴线，通过基于化语言和RGG的语法规则对作物器官的形成和生长做规则化解释，并 实现规则和图形之间的迭代、替换，结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于功能与结构模型的作物虚拟育种方法，运用包含生理功能、形态发育、数量遗传信息和特定环境因素的作物虚拟生长模型和人工选择操作结合的方法模拟作物的繁殖的育种过程，并包含以下步骤：步骤1：数据采集通过田间试验、分子试验、基因定位分析和文献搜索结合的方式，采集模型构建所需的数据，建立原始数据集，其中包含同一目标作物群体的各方面数据：作物生长环境数据、形态动态生长数据、主要生理进程数据、分子标记和遗传图谱数据、目标性状相关的数量基因数据；步骤2：功能与结构模型构建21.首先，运用基于规则的植物建模方法，从计算机图形学技术出发，以作物生长原理为基础，采用扩展的XL(eXtended L‑Systems)建模语言、Java编程语言以及实现图形替换的RGG(Relational Growth Grammar)语法规则，对作物器官形态进行重建、对生长过程进行模拟，建立作物结构模型；22.其次，在结构模型的基础上，加入作物主要生理进程的模拟：运用LEAFC3光合作用模型，通过设定品种相关的光合参数，特定温度下的最大羧化作用速率Vm25(μmol m‑2s‑1)、光饱和时的潜在光合电子传递速率Jm25(μmol m‑2s‑1)、光合电子传输的活化能量Ej(J/mol)、CO2的动力学参数Kc25(mol/mol)、O2的动力学参数Ko25(mol/mol)，以及品种无关的环境参数，比如空气温度Ta(℃)、空气中CO2的浓度Ca(mol/mol)、相对湿度RH、叶片吸收的双向长短波辐射强度Ri(W/m2)、水平方向的风速Wspeed(m/s)等，模拟叶片内的光合相关的生化反应、气孔导度、叶片边界的物质和能量传输机制，计算植物叶片的CO2短期稳态通量、水分及热量交换，从而模拟作物通过叶片光合作用产生 同化物的速率，如下式所示：An＝f(Ri,Ta,...,Vm25,Jm25,...) 这里记An为净光合速率(μmol m‑2s‑1)，则每个生长步长所积累的光合产量为：这里，记Pt为光合产量(μmol)，ai为第i张叶片的面积(m2)，n为作物植株个体叶片的数目，Δtd为模型中一个生长步长(s)，即一天的时间长度，值为24×3600，另外，假设所有的同化物在分配到器官之前都汇集到一个同化物池中，记为AP(μmol)，则t时刻AP的增量即为：ΔAP＝Pt‑Gt这里，记Gt为植物呼吸作用(包括生长呼吸和维持呼吸)消耗的同化物的量，即同化物池的瞬时增量ΔAP是时间t的光合产量Pt与消耗量的差；Gt由所有器官的生长量累加得来；特定器官的生长量由该器官生长函数结合源库模型计算得到：基于Yin等在2003年提出的beta生长函数，可以由下式计算：记cm为最大生长速率，tm为生长速率最大的时刻，te为停止生长的时刻(即生长速率为0时)，也就是该器官的维度达到最大维度wmax(长度为m，面积为m2)的时刻(比如茎达到最大长度或者叶片达到最大面积)，进而可以计算在任意时刻t的特定器官的潜在生长速率grpot：以水稻的株高为例，这里grpot即为t时刻株高的潜在生长速率，将所有器官的潜在生长速率累加，并乘以时间步长Δtd，得到整个植株的库强度sdtot：sdtot＝∑sspotΔtd因此，可以根据特定器官的库强度占植株个体的库强度大小的比率，计算得到该器官生长步长内实际生长速率grreal：这里的AP为当前时刻的同化物池大小；通过这些生长函数和分配函数的计算，能够实现整个植株在整个生长周期的发育动态展现；接着，重点建立环境模型中光照模型，模拟太阳光源的位置和辐射度变化；虚拟的太阳光在天空中被分为直射光和散射光，包括他们在三维空间中的分布，以及在到达作物冠层后被冠层空间的遮挡等，从而实现叶片光合作用中光通量的大小；23.最后，运用功能‑结构建模技术，结合作物结构模型、生理模型和环境模型，以时间为轴线，通过基于XL语言和RGG的语法规则对作物器官的形成和生长做规则化解释，并实现规则和图形之间的迭代、替换，结合虚拟作物的同化物形成与分配，从而在结合生理功能、拓扑结构及光环境条件的基础上实现虚拟作物生长动态可视化，获得能够模拟作物生长过程的功能与结构模型；步骤3：遗传模块的构建为模型中个体增加遗传模块，该模块包含以数组形式存储的内在数量遗传属性，记为：M＝{m1,m2,…,mx,q1,mx+1,…,qi,…,mn}D＝{d12,d23,…,dxq1,…,d(n‑1)n}这里，M表示其中一个染色体组上的分子标记基因型，其序列包括n个分子标记，m1到mn，其间根据特定位置信息放置了i个通过基因定位研究得到的数量性状基因座，q1到qi；序列每个位点取值为1或者‑1，其中1表示该分子标记m 或数量性状基因座q来自父本，‑1表示来自母本，即父本中所有的分子标记基因型都为1，母本中都为‑...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐利锋，丁维龙，高楠，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33