[发明专利]一种基于植物功能与结构模型的作物虚拟育种方法

说明书

技术领域

本发明内容涉及植物生理生态学、植物可视化建模以及作物育种领域，是一种能够通过三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。

背景技术

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，包括这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，这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，这就让这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，它通过在计算机上以三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这样完全的调控网络。

本发明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，可以结合现在分子育种等新的育种手段，对育种实践进行辅助。这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。

发明内容

本发明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，该方法可以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——气候因素、土壤因素、人工操作因素等，以及相关的内因——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，并以三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。

本发明实现虚拟育种所采用的技术方案是：

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等；

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，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(以水稻为例，即包含茎、叶、穗、籽粒等器官形态建成的可视化模型)；