吳 飛，石 蘭，馬梅蘭，王 江，何新宇，依明·蘇來曼

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052）

在育種工作方面，疆內(nèi)大多數(shù)的中小型羊場仍采用個體表型值進行選種。但傳統(tǒng)的選種方法不能保證種羊遺傳評定的準(zhǔn)確性,其主要缺點在于：一是羊只數(shù)據(jù)零散和記錄不完全、不系統(tǒng)；二是不能有效地剔除各種環(huán)境因素的影響，如：年度、群體等；三是不能有效利用所有親屬的信息。因此中小型羊場根據(jù)表型值選種的方法是不夠準(zhǔn)確的。在羊只各類信息的處理形式上，現(xiàn)階段疆內(nèi)羊場主要通過紙質(zhì)資源和電子文件記錄與儲存數(shù)據(jù)，但紙質(zhì)文件容易因自然、人為等原因造成信息缺失，電子文件因為分類儲存也只能針對有限范圍內(nèi)的信息進行查詢和利用，而羊場許多決策需要依據(jù)多方面、跨文件的信息檢索結(jié)果，現(xiàn)階段的零散文件存儲難以提供上述服務(wù)，致使信息資源的利用率較低[6-7]。

信息化是當(dāng)今世界發(fā)展的必然趨勢，國內(nèi)許多畜牧企業(yè)都設(shè)計或購買畜牧信息化管理系統(tǒng)以及種畜遺傳評估系統(tǒng)，將牧場管理、種畜育種工作與信息技術(shù)相結(jié)合，以此提高生產(chǎn)管理水平，提升育種工作效率，科學(xué)建立種畜繁育基地。本研究在調(diào)研新疆地區(qū)中小型規(guī)?；驁龅纳a(chǎn)與管理模式的基礎(chǔ)上，將信息管理技術(shù)與現(xiàn)代遺傳評估技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)兼具信息管理與遺傳評估功能的計算機系統(tǒng)，致力于幫助中小型羊場充分利用新疆豐富的種質(zhì)資源，培育優(yōu)良肉羊品種，促進新疆肉羊產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)支持

1.1 編程語言 Python 語言是一門新興且優(yōu)秀的計算機編程語言，在2021 年TIOBE（編程語言社區(qū)排行）中，Python 排名第一，榮獲2021 年度編程語言稱號。Python 已成為多個領(lǐng)域的編程實戰(zhàn)語言，運用越來越成熟。Python 學(xué)習(xí)與使用起來清晰而簡單，非常適合編程基礎(chǔ)薄弱或者零基礎(chǔ)的人員使用。Python 擁有龐大的標(biāo)準(zhǔn)庫，可以編寫程序來處理各種工作，包括正則表達式、線程、文檔生成等功能。除了標(biāo)準(zhǔn)庫，它還有大量高質(zhì)量的第三方庫[6,8-9]，如Django、Django RESTframework、NumPy 等，這些庫可以通過計算機編程集成開發(fā)環(huán)境軟件例如PyCharm、VSCode 搜索下載使用，有助于提高開發(fā)效率。

1.2 Web 應(yīng)用框架 Django 框架是具有完整架站能力的開源框架，由Python 編寫，其設(shè)計理念是由傳統(tǒng)MVC模式演變的MTV 模式。開發(fā)優(yōu)勢：部署方便、可重用性高、維護成本低，可以便捷快速地開發(fā)以數(shù)據(jù)庫驅(qū)動的系統(tǒng)；Django 自身集成了豐富的開發(fā)通用組件，如用戶認(rèn)證、分頁、中間件、緩存、Session 等，避免浪費大量時間做重復(fù)的工作；Django 還具有強大的數(shù)據(jù)庫訪問組件、靈活的URL 映射，大大提高開發(fā)效率[6,9]。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)的硬軟環(huán)境

1.3.1 系統(tǒng)開發(fā)的軟件環(huán)境 肉羊遺傳評估系統(tǒng)在Windows 10 操作系統(tǒng)上開發(fā)，以Python 3.6.8 作為編程語言，Django 2.0 為開發(fā)框架，以Pycharm 專業(yè)版為輔助開發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫采用Python 3 默認(rèn)選取的SQLite 3 數(shù)據(jù)庫，以Navicat Premium 12 為數(shù)據(jù)庫的輔助編輯器。

惡性組：年齡范圍51～77歲，年齡（66.4±9.0）歲；男 23例，女 16例；體質(zhì)指數(shù)（BMI）為（22.6±1.8）kg／m2，合并疾病為高血壓 16例、糖尿病8例、高血脂11例，吸煙16例。非惡性組：年齡范圍48～79歲，年齡（65.2±11.0）歲；男130例，女61例，BMI為（22.4±2.3）kg／m2，合并疾病為高血壓96例、糖尿病53例、高血脂70例；吸煙102例。兩組患者的年齡、性別、BMI、合并疾病、吸煙情況差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。

1.3.2 系統(tǒng)開發(fā)的硬件環(huán)境 系統(tǒng)開發(fā)所用電腦的CPU為Intel（R）Core（TM）i5-1035 G1，RAM 容量為16 GB，Storage 容量為512 GB。

1.4 支撐系統(tǒng)運行的硬軟環(huán)境 運行平臺/操作系統(tǒng)：Windows7、Windows10、Linux、Mac。

運行的硬件環(huán)境：Intel（R）Core（TM）i3 及以上；RAM：2 GB 及以上；Storage：256 GB 及以上。

軟件運行支撐環(huán)境/支持軟件：Python 3.6 及以上版本、Django 3.0 及以上版本、R 語言。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

肉羊遺傳評估系統(tǒng)由Django 框架搭建而成，采用瀏覽器/ 服務(wù)器（Browser/Server，B/S）結(jié)構(gòu)模式，通過調(diào)用R 語言的sommer 包實現(xiàn)羊場數(shù)據(jù)信息化管理以及肉羊遺傳評估的功能。肉羊遺傳評估系統(tǒng)在開發(fā)類型上定義為大數(shù)據(jù)嵌入式軟件，后續(xù)的項目計劃將通過Python 強大的可移植性嵌入到肉羊遺傳評估與分子育種服務(wù)平臺中。

2.1 系統(tǒng)角色分權(quán) 肉羊遺傳評估系統(tǒng)分為羊場信息管理模塊與肉羊遺傳評估模塊，并設(shè)置了擁有不同權(quán)限的3 種角色，分別為管理員、技術(shù)員與飼養(yǎng)員。3 種角色的系統(tǒng)主界面所含有的功能模塊數(shù)量依次遞減，管理員擁有系統(tǒng)全部功能模塊，且只有管理員具有添加與刪除系統(tǒng)成員賬號以及運行肉羊遺傳評估模塊的權(quán)限。羊場管理人員可以根據(jù)員工所處崗位添加角色賦予員工在系統(tǒng)內(nèi)的管理權(quán)限。用戶在登錄頁面輸入正確的賬號、密碼以及驗證碼答案即可進入系統(tǒng)主頁面，視圖通過賬號識別用戶角色，并賦予擁有相應(yīng)權(quán)限的主界面。

2.2 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計 數(shù)據(jù)庫是大數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，具有對數(shù)據(jù)的存儲、維護、檢索等功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)很大程度上決定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的實現(xiàn)[10]。肉羊遺傳評估系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包含用戶的注冊表以及各管理模塊的數(shù)據(jù)表。根據(jù)實際需求，選用了SQLite 3 作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫具有易升級維護的優(yōu)勢。由于SQLite 3 數(shù)據(jù)庫是Python 3 默認(rèn)選取的輕型數(shù)據(jù)庫，所以使用方便，不需要事先安裝數(shù)據(jù)庫軟件。相比于MySQL 等數(shù)據(jù)庫，SQLite 3 不需要配置，不需要任何外部的依賴，用戶不需要復(fù)雜的安裝以及在cmd 終端申請賬號的過程，且每次使用前后不需要手動開啟、關(guān)閉數(shù)據(jù)庫，SQLite 3 在搭建系統(tǒng)時也不需要事先建表，數(shù)據(jù)表直接遷移。根據(jù)SQLite 的官方提示，SQLite 3 數(shù)據(jù)庫最大支持128 TiB（140 terabytes，or 128 tebibytes），數(shù)據(jù)承載量對于中小型羊場完全夠用。在數(shù)據(jù)查詢方面，查詢條件如果是索引字段，在總數(shù)據(jù)量非常龐大的情況下查詢速度仍然很快。

2.3 羊場信息管理模塊 羊場信息管理模塊提供了一種簡便而有效的信息管理和處理技術(shù)，它通過設(shè)計模型來定義表格與字段，將現(xiàn)實的羊場數(shù)據(jù)進行分類整理，并在虛擬數(shù)據(jù)庫中存儲起來，通過編寫視圖函數(shù)來調(diào)用和分析數(shù)據(jù)，把繁雜的數(shù)據(jù)資料變成用戶所需要的可用來決策的信息[11]。羊場信息管理模塊的每個子模塊對數(shù)據(jù)設(shè)置了增刪查改、導(dǎo)出、打印功能，在羊只管理、配種記錄、繁殖管理、系譜管理、性能測定以及育種值表6 個子模塊中設(shè)置了數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入功能。羊場信息管理模塊中各子模塊模型設(shè)計見表1。

表1 羊場信息管理模塊介紹

2.3.1 列表設(shè)置 列表分頁設(shè)置：由于本系統(tǒng)為大數(shù)據(jù)軟件，因此各模塊中的表格分頁設(shè)置了每頁10、20、50、100、200、500、1 000、2 000、5 000 條數(shù)據(jù)選項，方便用戶對數(shù)據(jù)的查看以及批量操作。

列表字段隱藏功能：本系統(tǒng)各子模塊列表字段屬性全面、數(shù)量較多，用戶可根據(jù)實際需求將不需要的字段隱藏，使數(shù)據(jù)列表簡短、直觀。

在系統(tǒng)各個子模塊模型的最后設(shè)立“創(chuàng)建時間、創(chuàng)建人、修改時間、修改人”4 個日志類型的字段，系統(tǒng)會在員工操作后自動記錄以上四字段的內(nèi)容，且員工無法改動，以此方便查尋追責(zé)，用以督促員工在收集、登記數(shù)據(jù)時確保數(shù)據(jù)完整無誤。

2.3.2 數(shù)據(jù)的查詢 數(shù)據(jù)的查詢功能是羊場信息管理模塊的核心功能，也是其他功能的基礎(chǔ)。通過連接SQLite 3 數(shù)據(jù)庫，為各子模塊的數(shù)據(jù)列表設(shè)置了2 種數(shù)據(jù)查詢方法：一是設(shè)置關(guān)鍵字搜索框關(guān)聯(lián)模型中的所有字段，用戶需要輸入具體關(guān)鍵字對數(shù)據(jù)進行搜索；二是按條件篩選，在各個模塊列表中按羊場的實際需求，選定一個或多個字段設(shè)置為篩選條件，用戶填寫篩選框條件即可在數(shù)據(jù)庫中篩選數(shù)據(jù)。

2.3.3 數(shù)據(jù)的添加 數(shù)據(jù)的增添功能可以通過點擊“添加”鍵填充字段內(nèi)容對數(shù)據(jù)進行逐條添加。在添加數(shù)據(jù)量龐大的情況下，用戶可通過數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入功能一鍵導(dǎo)入數(shù)據(jù)。導(dǎo)入功能要求上傳的數(shù)據(jù)文件必須是純文本文件（Excel、Csv），文件中第一行數(shù)據(jù)名稱從左到右的排列順序必須與系統(tǒng)對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中字段順序一致，文件內(nèi)缺失數(shù)據(jù)采用NA 代替，數(shù)據(jù)之間的間隙使用空格或Table 鍵。

2.3.4 數(shù)據(jù)的刪除與修改 數(shù)據(jù)的刪除功能是在查詢功能的基礎(chǔ)上進行操作。數(shù)據(jù)經(jīng)過查詢后，勾選目標(biāo)數(shù)據(jù)前的復(fù)選框進行刪除。批量刪除需根據(jù)刪除數(shù)據(jù)條數(shù)進行分頁設(shè)置，使需刪除的數(shù)據(jù)集中在第1 頁，點擊列表前的復(fù)選框進行整頁刪除。修改功能同刪除功能。

2.3.5 數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與打印 數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能：數(shù)據(jù)經(jīng)過查詢后，按照數(shù)據(jù)量進行分頁設(shè)置，使需導(dǎo)出的數(shù)據(jù)集中在第1 頁，通過點擊“導(dǎo)出”鍵，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入新建的Excel 或Csv 文件中，并自動保存在電腦C 盤的“用戶”文件中。

數(shù)據(jù)打?。翰僮髁鞒掏瑪?shù)據(jù)導(dǎo)出功能，打印設(shè)置默認(rèn)為橫向黑白打印，打印紙張默認(rèn)為A4。

2.4 肉羊遺傳評估模塊 種羊的遺傳評定是肉羊育種中的一項重要內(nèi)容，選種準(zhǔn)確與否對畜群生產(chǎn)性能的提高具有決定性作用[12]。隨著動物數(shù)量遺傳學(xué)的發(fā)展，基于BLUP 的選擇方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但是這種計算方法比較復(fù)雜，主要使用幾款專業(yè)的遺傳評估軟件，如ASReml、DMU、WOMBAT 和BLUPF 90 等，但這些軟件不適用于沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過BLUP 法原理以及軟件教程的羊場工作人員，這是目前遺傳評估軟件面臨的問題。本系統(tǒng)通過Python 的第三方庫rpy 2 調(diào)用R 語言的sommer 包，將遺傳評估軟件有效整合到現(xiàn)有的管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)還為遺傳評估功能設(shè)置了簡單且靈活的Web 頁面，用戶只需在此頁面單純的進行鼠標(biāo)點擊，即可完成育種值計算操作，解決了上述遺傳評估軟件存在的問題。

肉羊遺傳評估模塊通過sommer 包建模，運用BLUP 法的單性狀動物模型與多性狀動物模型計算肉羊的育種值。BLUP 法是目前世界范圍內(nèi)主要的種畜遺傳評定方法[13-14]，由Henderson 于20 世紀(jì)50 年代初提出，其本質(zhì)是處理不均衡資料的混合模型方程組（Mixed Model Equation）方法[15]。BLUP 法將選擇指數(shù)法和最小二乘估計方法有機結(jié)合起來，可以在估計育種值的同時對系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)進行估計和校正，消除了因選擇和淘汰等造成的偏差，通過BLUP 法計算所得的個體育種值具有最佳線性無偏性，精確性較高。

系統(tǒng)通過Django 框架的視圖與模板搭建計算育種值的選項卡表單Web 頁面，用戶在Web 頁面勾選單選框、復(fù)選框與下拉列表即可選定進行育種值計算的羊只數(shù)據(jù)與動物模型。選項卡表單Web 頁面如圖1 所示。

圖1 選項卡表單Web 頁面

用戶在點擊“計算”選項后，系統(tǒng)視圖接收用戶指令通過數(shù)據(jù)庫SQL 的JOIN 關(guān)鍵字進行多表聯(lián)查提取數(shù)據(jù)，形成由羊只ID、固定效應(yīng)、表型性狀組成的數(shù)據(jù)文件，和由目標(biāo)羊只及其父母代、祖代的個體號組成的系譜文件。系統(tǒng)后臺將兩份文件的文件名以及用戶所選表型性狀與固定效應(yīng)的字段名作為參數(shù)傳輸?shù)紸nimalUtils 類函數(shù)相應(yīng)的活字段中，完成由R 語言指令拼接的字符串，最后通過調(diào)用rpy2 庫的r 方法執(zhí)行R語言程序，R 語言按照字符串指令進行常規(guī)育種值估計。系統(tǒng)調(diào)用sommer 包運算所得的育種值結(jié)果自動生成數(shù)據(jù)文件，在“育種值表”子模塊一鍵導(dǎo)入保存育種值數(shù)據(jù)。

3 遺傳評估功能測試

系統(tǒng)的遺傳評估功能測試是將同一份測試數(shù)據(jù)分別通過系統(tǒng)與DMU 軟件進行育種值計算，在考慮相同固定效應(yīng)以及運算模型皆為動物模型BLUP 的情況下，比較系統(tǒng)與DMU 軟件的育種值結(jié)果。測試數(shù)據(jù)為真實數(shù)據(jù)，由課題組提供，測試數(shù)據(jù)于2021 年采集自新疆地區(qū)的三寶牧業(yè)、塞外銀羚種羊場以及上品美羊科技有限公司，數(shù)據(jù)在剔除異常值后，共計采集1 689 只湖羊的初生重與斷奶重，系譜為完整的二代系譜與部分三代系譜。

遺傳評估功能測試方法具體為系統(tǒng)與DMU 軟件先后采用單性狀動物模型與多性狀動物模型，以羊只性別、出生類型、場號、出生年-季為固定效應(yīng)，計算1 689只湖羊初生重與斷奶重的個體育種值。經(jīng)過反復(fù)測試，系統(tǒng)與DMU 軟件計算1 689 只湖羊初生重與斷奶重的個體育種值結(jié)果均基本一致，相關(guān)的前后端指令交互、多表聯(lián)查提取數(shù)據(jù)以及rpy2 調(diào)用R 語言等代碼的邏輯設(shè)計合理。

4 討 論

目前，我國研制出的肉羊遺傳評估軟件大多數(shù)采用的是傳統(tǒng)育種運算方法，很少涉及基因組選擇的分子育種方法，例如魯紹雄等[16]開發(fā)的肉羊信息管理與育種分析系統(tǒng)、趙曉亮[17]研制的肉羊數(shù)據(jù)自動發(fā)掘模塊與遺傳育種模塊以及何小龍等[18]開發(fā)的內(nèi)蒙古自治區(qū)種羊遺傳評估中心網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)都是采用的傳統(tǒng)育種運算方法。本系統(tǒng)目前已實現(xiàn)運用常規(guī)BLUP 法進行傳統(tǒng)的育種值運算，后續(xù)工作將進一步深度挖掘現(xiàn)代肉羊遺傳評估技術(shù)，系統(tǒng)將加入GBLUP 法運算功能，建立基于基因組選擇的肉羊遺傳評估與分子育種服務(wù)技術(shù)平臺，構(gòu)建適合新疆肉羊產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展的繁育體系。

在遺傳評估軟件選擇方面，相比于常用的DMU、ASReml、BLUP 90，R 語言的sommer 包在常規(guī)BLUP法運算方面相對平庸，在數(shù)據(jù)量龐大的情況下運算速度無法與前三者相比，甚至當(dāng)固定效應(yīng)與表型數(shù)據(jù)、種類較多，從而構(gòu)建的混合線性模型較為復(fù)雜時，sommer包在矩陣迭代中途會出現(xiàn)“因矩陣過于龐大而停止工作”的報錯代碼。在系統(tǒng)與DMU 軟件皆采用多性狀動物模型計算1 689 只湖羊初生重與斷奶重的個體育種值的測試中，系統(tǒng)調(diào)用sommer 包在矩陣迭代過程中用時不穩(wěn)定，最少用時28 min，最多用時90 min，用R 軟件跑sommer 包代碼用時也是如此，而DMU 用時僅在4 min以內(nèi)，sommer 包運算結(jié)果雖然與DMU 軟件基本一致，但在運算時間上有很大差距。而且sommer 包本身不具有處理系譜數(shù)據(jù)的功能，需要先由R 語言的nadiv 包依據(jù)系譜信息構(gòu)建A 矩陣與A 逆矩陣，再由sommer 包構(gòu)建混合線性模型計算育種值。但在軟件的使用性質(zhì)上，只有R 語言的sommer 包為完全免費軟件，商業(yè)使用無需授權(quán)，而且在GBLUP 法運算方面性能較為優(yōu)秀，可為后續(xù)開發(fā)的分子育種功能提供技術(shù)支持，所以選取R語言的sommer 包作為本系統(tǒng)調(diào)用的遺傳評估軟件。

5 結(jié) 論

本研究基于Django 框架設(shè)計了肉羊遺傳評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)的羊場信息管理模塊通過對羊場各項數(shù)據(jù)的增刪查改、導(dǎo)入與導(dǎo)出等操作，基本實現(xiàn)了羊場數(shù)據(jù)信息化管理與肉羊生產(chǎn)性能登記的功能，也為遺傳評估模塊提供完整、可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；該系統(tǒng)的肉羊遺傳評估模塊通過調(diào)用R 語言的sommer 包計算羊只個體育種值，經(jīng)真實數(shù)據(jù)反復(fù)測試，在測試同一份數(shù)據(jù)、考慮相同固定效應(yīng)的情況下，肉羊遺傳評估系統(tǒng)與DMU 軟件先后通過單性狀動物模型與多性狀動物模型計算1 689 只湖羊初生重與斷奶重的個體育種值的結(jié)果均基本一致，后臺代碼的邏輯設(shè)計合理，肉羊遺傳評估模塊可以實現(xiàn)肉羊遺傳評估與構(gòu)建羊場育種數(shù)據(jù)庫的功能；系統(tǒng)整體可以為新疆肉羊產(chǎn)業(yè)持續(xù)選育優(yōu)良肉羊品種提供技術(shù)支持。