Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 8
1.1 Использование генетико-популяционных методов и информационных технологий в племенном свиноводстве 8
1.1.1 Основные этапы совершенствования продуктивных качеств животных в свиноводстве 8
1.1.2 Краткая характеристика наследуемости и изменчивости селекционируемых признаков 17
1.1.3 Краткая характеристика использования методов отбора и подбора в животноводстве 23
1.2 Информационные технологии и автоматизированные системы, использующие в племенном свиноводстве 29
1.2.1 Базы данных и автоматизированные системы управления 29
1.2.2 Автоматизированные рабочие места (АРМ) специалистов сельского хозяйства 31
2. Материалы и методы исследований 36
2.1. Материалы и схема исследований 36
2.2 Методы разработки и формирование программных средств и баз данных в операционной системе Windows 38
2.3 Методы вычисления биометрических параметров 42
2.4 Математические методы (модели) для оценки и прогнозирование продуктивных качеств свиней 44
2.5 Эффективность селекции и разработка целевых стандартов и стандартов отбора 44
2.6 Оценка генотипа животного по селекционным индексам 44
3. Результаты исследований 46
3.1. Основные принципы информатизации селекционно- племенной работы в свиноводстве России 46
3.1.1 Цель и задачи информатизации племенного свиноводства А1
3.1.2 Основные направления развития информатизации племенного свиноводства 49
3.1.3. Технология формирования информационных массивов 52
3.1.4 Принципы построения информационной системы для управления банком данных 54
3.2 Разработка программных средств в информационно- аналитической системе селекции в операционной системе Windows 56
3.2.1 Разработка системы автоматизации зоотехнического учета и формирование баз данных
3.2.2 Система автоматизации с решением селекционно-генетических задач
3.3. Генетическое совершенствование линей свиней с использованием метода внутрипопуляционной селекции 76
3.4 Генетико-статистический анализ показателей продуктивности селекционируемых линий свиней 85
3.4.1 Количественные показатели продуктивности свиноматок исходных популяций и прогнозирование продуктивности в последующих поколениях 86
3.4.2 Анализ воспроизводительных качеств свиноматок селекционируемых линий свиней 90
3.4.3 Взаимосвязь между основными репродуктивными признаками линий свиней 97
3.4.4 Анализ выращивания, оценки и отбора ремонтных хрячков для формирования последующих генераций при селекции специализированных линий свиней 100
3.4.5 Количественная оценка хряков-производителей по откормочным и мясным качествам селекционируемых линий свиней в динамике трех поколений (родительского, первого, второго) 117
Обсуждение результатов исследований 123
Выводы 135
Предложения производству 138
Список использованной литературы
- Использование генетико-популяционных методов и информационных технологий в племенном свиноводстве
- Методы разработки и формирование программных средств и баз данных в операционной системе Windows
- Основные принципы информатизации селекционно- племенной работы в свиноводстве России
- Разработка системы автоматизации зоотехнического учета и формирование баз данных
Введение к работе
Диссертационная работа является итогом научно-исследовательских изысканий в области селекции в свиноводстве, создания информационных технологий нового поколения в селекционно-племенной работе, применения методов популяционной генетики для качественного совершенствования пород свиней отечественной и зарубежной селекции. Исследования выполнены в соответствии с Государственной научно-технической программой «Проведение исследований и разработка новых методов оценки племенных и продуктивных качеств создаваемых и существующих линий, типов и пород свиней на основе использования генетического мониторинга, усовершенствованных способов воспроизводства стада и информационных систем управления селекцией в свиноводстве» и тематическим планом НИР в лаборатории информационного обеспечения в селекции и разведении свиней ВНИИплем за период с 2001 по 2006 годы.
Актуальность темы. Конкурентоспособность свиноводства в решении мясной проблемы находится в прямой зависимости от рационального использования отечественного и зарубежного генофонда свиней в системах чистопородного разведения и гибридизации наряду с улучшением технологии кормления и содержания свиней. Решение этой задачи во многом связано с интенсификацией ведения отрасли свиноводства, следствием которой является повышение продуктивности животных. В этой связи возросла роль современных селекционных программ, базирующихся на основополагающих принципах популяционной генетики и методах селекции.
Интенсификация селекционного процесса требует научно обоснованных подходов при проведении племенного отбора. Теоретической основой племенной работы в современных условиях является генетика популяций, направленная на изучение процессов наследуемости и изменчивости в рамках отдельных стад или пород сельскохозяйственных животных. Необходимым
условием повышения эффективности племенной работы является изучение генетических параметров популяции, степени взаимосвязи признаков, структуры генотипической изменчивости и ряда других показателей.
Генетическое совершенствование популяций предполагает оценку генотипа и интенсивный отбор животных в племенных стадах с целью их дальнейшего размножения и оптимального использования племенных животных в системах разведения.
Однако в племенном свиноводстве математические методы детально не проанализированы и не получили широкого распространения в практической работе, вследствие чего объективность, точность оценки и прогноз отдельных аспектов селекции незначительны.
Очевидно, что внедрение автоматизированных систем по оценке селекционно-генетических методов многократно увеличит объем анализируемой информации. Следовательно, возникает задача сбора, накопления, хранения, обработки, передачи информации на различные уровни управления. При этом отдельные массивы информации по породам, селекционным группам животных должны быть интегрированы в единую информационно-аналитическую систему, позволяющую обеспечить племенную службу необходимой информацией и оперативно решать самые разнообразные задачи селекционно-генетического процесса в племенных стадах. Все вышеизложенное определяет актуальность проведенных исследований.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка автоматизированных программных средств в операционной системе Windows для интенсификации селекционного процесса в племенном свиноводстве.
Для реализации цели поставлены задачи:
разработать основные принципы информатизации селекционно-племенной работы в свиноводстве России;
изучить принципы построения оптимальных вариантов селекции в племенном свиноводстве;
разработать программные средства (ПС) по автоматизации племенного и зоотехнического учета с использованием генетико-математических методов для оценки и прогнозирования племенных и продуктивных качеств свиней в племенных стадах;
в научно-производственном опыте провести экспериментальную проверку программных средств и алгоритмов оценки генотипа животных с использованием методов популяционной генетики по воспроизводительным, откормочным и мясным качествам, ремонтного молодняка - по собственной продуктивности в системе селекции при совершенствовании линий, типов и пород свиней.
В результате проведенных исследований разработаны и выносятся на защиту следующие положения:
Обоснование принципов информатизации племенной работы в свиноводства России.
Программные средства по автоматизации зоотехнического учета с решением селекционно-генетических задач в племенном свиноводстве, разработанные на базе СУБД Delphi в операционной системе Windows.
Методология определения племенной ценности свиней по репродуктивным, откормочным и мясным качествам, собственной продуктивности ремонтного молодняка с использованием селекционно-генетических методов.
Научная новизна работы. Впервые разработаны программные средства в операционной системе Windows для комплексной оценки генотипа хряков и маток по воспроизводительным, откормочным, мясным качествам и оценки ремонтного молодняка по собственной продуктивности, позволяющие прогнозировать продуктивность свиней путем моделирования эффективности селекционного процесса на основе методов популяционной генетики и информационных технологий в информационно-аналитической системе селекции.
Практическая значимость результатов исследований заключается в разработке программного обеспечения нового поколения по сбору и накоплению информации, формированию баз и банка данных по породам свиней с последующим использованием накопленной информации для комплексной оценки племенных и продуктивных качеств свиней и прогнозирования по воспроизводительным, откормочным, мясным качествам генотипов хряков и маток, ремонтного молодняка - по собственной продуктивности в племенных заводах и репродукторах.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на:
ученых Советах ВНИИплем (2004-2005 гг.);
Всероссийском совещании по координации селекционно-племенной работы в породах сельскохозяйственных животных (2004-2006 г.);
Международной научно-практической конференции «Прошлое, настоящее и будущее зоотехнической науки».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных статей.
Объем работы. Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследований, результатов исследований, обсуждения результатов исследований, выводов, предложений производству. Список используемой литературы содержит 187 источников, в том числе 44 на иностранных языках. Работа иллюстрирована 46 таблицами, 21 рисунками и 6 схемами.
Использование генетико-популяционных методов и информационных технологий в племенном свиноводстве
Свиньи в отличие от других сельскохозяйственных животных (крупного рогатого скота, овец, птиц) - источник лишь одного продукта питания людей - мяса (свинины). Свойства свиньи как мясного животного определяются особенностями организма. Свиней оценивают по большому количеству признаков. Признаки, непосредственно характеризующие продуктивность (воспроизводительная способность, откормочные качества, мясные качества туш и качество свинины), называются хозяйственно-полезными. Кроме них, есть ряд признаков, неотносящихся непосредственно к хозяйственно-полезным, но связанных с ними - это экстерьер, конституция, здоровье.
Селекция начала XXI века существенно отличается от селекции прошлого большей научной обоснованностью и предсказуемостью ожидаемых результатов, благодаря ряду объективных причин. Во-первых, изменилась ее научная база. Во-вторых, практическая селекция перестает быть делом одиночек. Селекционные программы обычно осуществляются большим коллективом: от специалистов, ученых в области теории отбора до рядовых практических работников на местах.
Для успешного решения задач экспериментальных и теоретических исследований различного вида преобразований требуется дальнейшая разработка методик, моделирования селекционных процессов в популяциях свиней на основе использования информационно-аналитических систем на базе ПЭВМ.
Рассмотрим теоретические основы селекции в эволюционной теории на примере искусственного отбора.
Давно известно, что новые формы растений и животных, в том числе и домашних, возникают в результате скрещивания, или происхождение породы от одного предка: домашние куры - от дикой индийской курицы, голуби - от дикого скалистого голубя, все породы свиней - от европейского дикого кабана. В каждой из таких монофолетических (происходящих только от одного предка) групп имеется большое многообразие пород (Э.Майэр, 1974; Н.В.Тимофеев-Лисовский, Н.Н.Воронцов, А.В.Яблоков, 1977).
Имеются факты, подтверждающие происхождение домашних форм в результате "внезапного порождения" (Г.Фрид, 1912). Цитируя Дарвина, Б.М.Медников (1975) обсудил это явление. В стаде мериносных овец одного американского фермера родился ягненок с удлиненным телом и укороченными ногами. Названные признаки устойчиво передавались потомству. В результате "внезапного и значительного изменения в строении", писал Дарвин, возникла исходная форма для выведения породы анконских овец. Аналогично была создана мошанская порода овец с длинной шерстью, некоторые породы собак (такса, кривоногий терьер, бульдог).
Рассмотренные особенности домашних животных - множество форм, различия между формами и отличие от общего признака, а также невозможность объяснить возникшие многообразия пород только методом гибридизации, скрещиванием или «внезапным порождением» послужили основными аргументами для поиска других причин направленного происхождения новообразований.
Известно, что различия возникают в результате совместного действия двух причин: влияния внешних условий и природы самого организма. Причем определяющее воздействие на характер изменчивости оказывает вторая причина, поскольку один и тот же фактор внешней среды может вызывать разные изменения у одного организма (G.E.Dicherson, 1952; Y.Yamada, 1962; Л.Митлер, Т.Грегг, 1972).
Рассмотрим причины генетической изменчивости с учетом известных законов наследования. Я.Мацеевский, Н.Земба (1988) указывают на то, что сегрегация хромосом в ходе гаметогенеза и последующая рекомбинация их при оплодотворении создают огромные возможности для возникновения разнообразных генотипов. Это дает представление о практически неограниченных возможностях возникновения новых генотипов, а также объясняет существование в любой популяции изменчивости, одним из источников которой является наследственность.
Формирование какого-либо количественного признака зависит от совместного действия двух основных факторов: наследственности и среды (Н.П.Дубинин, 1948). Их взаимодействие друг с другом начинается с самого начала индивидуального развития. Схематически формирование фенотипа особи можно представить следующим образом: генотип зиготы определяет общее направление развития организма. Он контролирует верхний предел развития количественных признаков. Будет ли достигнут этот генетически детерминированный уровень, зависит исключительно от среды, в которой животное будет обитать. В то же время даже лучшие условия не обеспечивают получения высокопроизводительного фенотипа животного, если оно не имеет соответствующих генетических предпосылок, унаследованных от родителей. Таким образом, генотип животного определяет реакцию его организма на условия среды.
Методы разработки и формирование программных средств и баз данных в операционной системе Windows
Работы по созданию информационно-аналитической системы в операционной системе Windows по автоматизации зоотехнического учета с решением селекционно-генетических задач в племенном свиноводстве России выполнены в лаборатории информационного обеспечения в селекции и разведении свиней в период 2004-2006 гг.
Разработка программных средств по формированию баз и банка данных (БД) в операционной системе Windows и проведение генетико-математического анализа по оценке генотипа животных проводились на популяциях свиней породы дюрок и йоркшир в ОАО «Восточный». Это свинокомплекс промышленного типа с производством и откормом 108 тысяч гол. молодняка в год. В состав комплекса входят три племенных завода по разведению пород свиней крупной белой, ландрас, дюрок и один племенной репродуктор по разведению животных породы йоркшир.
При разработке программных средств (ПС) по формированию баз и банков данных учитывали организационную структуру управления селекционно-племенной работой в свиноводстве России и соподчиненность (племенные хозяйства - район - регион - федеральный уровень) с логической увязкой сбора, обработки и хранения информации.
Научно-производственный опыт по созданию специализированных линий свиней проводился согласно схеме, представленной на схеме 1.
Были изучены генетико-математические параметры воспроизводительных признаков разводимых пород свиней по первому опоросу (481 гол.) и по двум и более (1126 гол.) в динамике поколений (родительском, первом, втором, третьем) с общим количеством опоросов по «отцовским» породам дюрок (линия Джайент) - 984 гол., йоркшир (линия Восточного) - 623 гол., показатели оценки ремонтных хрячков по собственной продуктивности линии Джайента 396 гол. (в т.ч. в первом поколении - 78 гол., во втором - 181 гол., в третьем -137 гол.), в линии Восточного - 350 гол. (в т.ч. в первом поколении - 73 гол., во втором - 201 гол., в третьем - 76 гол.) и оценки хряков-производителей по качеству потомства методом контрольного откорма молодняка: по линии Джайента -132 гол. (в т.ч. в первом поколении - 48 гол., во втором - 36 гол., в третьем - 48 гол.), по линии Восточного - 166 гол. (в т.ч. в первом поколении - 56 гол., во втором - 62 гол., в третьем - 48 гол.) соответственно.
Для характеристики воспроизводительных качеств свиноматок учитывались следующие показатели: многоплодие (гол.), масса гнезда при рождении (кг), количество поросят в 21 день (гол.), молочность (кг), количество поросят в 2 месяца (гол.), масса гнезда при отъеме (кг).
Для оценки ремонтного молодняка по собственной продуктивности использовались показатели: возраст достижения живой массы 100 кг (дн.), среднесуточный прирост живой массы (г), затраты корма на единицу продукции (к.ед.), толщина шпика над 6-7 грудными позвонками (мм).
При оценке откормочных и мясных качеств потомства хряков-производителей изучались показатели: скороспелость (дн.), среднесуточный прирост (г), затраты корма на единицу продукции (к.ед.), толщина шпика над 6-7 грудными позвонками (мм), масса задней трети полутуши (кг), длина туши (см), площадь «мышечного глазка» (см2).
Для количественной оценки показателей продуктивности хряков, маток и ремонтного молодняка использовалась информация, накопленная в информационной базе данных по породам дюрок и йоркшир, разводимым в ОАО «Восточный».
Откормочные и мясные качества подопытного молодняка были изучены согласно ОСТ РОЗ-86 "Свиньи. Метод контрольного откорма".
Модель данных, отражающая зоотехнический документооборот в свиноводстве, нами строилась на основании следующих принципов построения реляционных баз данных: - каждый «файл» содержит только один тип записи; - каждый тип записи имеет фиксированное число типов полей; - каждый экземпляр записи имеет уникальный идентификатор; - внутри «файла» экземпляры записи либо имеют неизвестный пользователю порядок, либо они упорядочены согласно значениям, содержащимся внутри этих экземпляров.
В реляционной модели допускали только нормализованные отношения, то есть процесс построения оптимальной структуры таблиц и связей в реляционной БД, которые удовлетворяли следующему условию: - каждое значение в отношении является неделимым («атомарным»); - любое ненормализованное отношение приводили к эквивалентной нормализованной форме. Нами использованы 4 уровня нормализации: 1НФ, 2НФ, ЗНФ и 4НФ, где НФ - нормальные формы.
Основные принципы информатизации селекционно- племенной работы в свиноводстве России
Новая отрасль - информационно-вычислительное обслуживание относится к сфере материального производства и в настоящее время занимает лишь незначительную долю в структуре общественного производства.
Информатизация становится одним из реальных способов кардинального повышения эффективности общественного производства. Основанная на повсеместном использовании новых информационных технологий, средств микропроцессорной вычислительной и коммуникационной техники, информатизация позволяет многократно увеличивать производительность труда, оптимизировать по заданным критериям варианты отбора, подбора, анализировать и прогнозировать продуктивные качества пород свиней в селекционно-племенной работе, сократить документооборот и перейти на "безбумажную" технологию управления племенной работой, сократить сроки оценки генотипа животных.
Оснащение отрасли современной вычислительной техникой и системами связи, внедрение программно-технических комплексов позволяет формировать базы данных на популяционном уровне, создавать локальные, региональные и отраслевые сети, банки и базы данных, экспериментальные системы, т.е. ту инфраструктуру информатизации, которая обеспечивает качественное решение проблемы племенного свиноводства.
Однако следует отметить, что концепция информатизации, полностью соответствующая целям и задачам современного состояния и развития племенного свиноводства Российской Федерации, до настоящего времени отсутствовала.
Головной информационно-селекционный центр в животноводстве осуществляет информационное и научно-методическое обеспечение селекционно-племенной работы в свиноводстве.
Основными задачами информатизации племенного свиноводства являются: координация разработок и ведения селекционных программ по породам свиней с целью повышения качественного уровня племенной работы; осуществление системного анализа селекционно-генетических процессов в популяциях и породах свиней; координация и непосредственное участие в разработке информационных технологий в свиноводстве на всех уровнях селекции; переход к использованию новейшей информационной техники и технологии в сфере управления путем внедрения электронных средств связи, локальных сетей, применения математических методов и моделей при принятии решений, создание автоматизированных систем управления нового поколения; совершенствование научно-методического базиса на базе методов системного анализа, информатики, математического моделирования и широкого использования ПЭВМ в научных исследованиях.
Информатизация свиноводства должна обеспечить: повышение производительности труда управленческих работников с предоставлением им возможностей различного решения селекционных задач и последующий переход к «безбумажной» технологии управления.
Таким образом, информатизация отрасли свиноводства охватывает процессы формирования, предоставления и обработки информации баз данных на уровне племхозяйства, района, региона, федерации.
Целью информатизации племенного свиноводства является повышение эффективности производственно-хозяйственной деятельности отрасли путем обеспечения необходимой информационной поддержкой племенной службы всех уровней, принимающей управленческие и селекционные решения различных направлений.
Конкретные цели информатизации свиноводства реализуются посредством использования методов популяционной генетики при оценке и прогнозировании продуктивных качеств животных, ускорения научных исследований, внедрения научных разработок в производство, совершенствования учебного процесса при подготовке зоотехников-селекционеров.
Информатизация отрасли племенного свиноводства решается на основе следующих первоочередных задач: разработки методов автоматизированного ведения и управления племенной работой; разработки комплекса программных средств по формированию баз данных согласно форм зоотехнического учета на уровне племхозяйств; разработки систем управления базами данных и на их основе создания банков данных на районном, региональном и федеральном уровнях; разработки комплекса программ по функционированию информационно-аналитической системы управления селекционно-племенной работой в свиноводстве с учетом методов популяционной генетики и компьютерной технологии; обеспечении конвертирования индексов племенной ценности лучших мировых генетических ресурсов применительно к условиям Российской Федерации; осуществлении вхождения России в мировое информационное пространство в области племенного животноводства для широкого обмена генетическими ресурсами.
На базе информатизации на всех уровнях необходимо решить задачи управления селекционно-племенной работой по научно обоснованному прогнозу, перехода на более современные методы оценки селекции и племенной работы в свиноводстве, отвечающие требованиям сбалансированного развития племенного и товарного свиноводства, оптимизировать структуру племенных хозяйств.
Разработка системы автоматизации зоотехнического учета и формирование баз данных
В современных условиях перед работниками племенной службы всех уровней остро стоят задачи информационного обеспечения и принятия решений. Для управленческих решений требуется анализировать значительный объем информации, собираемый со всех предприятий, включенных в региональную систему разведения. При этом необходимо обеспечить надежность, непротиворечивость и оперативность поступления данных в условиях распределительного хранения данных и встречной направленности информационных потоков.
В связи с этим необходимо рассмотреть основные вопросы: 1. Принципы построения информационной системы поддержки принятия решений; 2. Технология обмена данными в распределенной структуре.
На основании информации, поступившей в региональный вычислительный центр, специалистами региональной службы принимается решение по управлению свиноводством региона (составляются планы комплектования товаропроизводителей племмолодняком, вносится корректировка в планы ротации хряков и т.д.).
Собранная и обобщенная из баз данных всех хозяйств информация в виде отчетных форм поступает в аппарат племслужбы, где принимаются текущие и стратегические решения. Таким образом, решается региональная задача обеспечения специалистов племхозяйств и аппарата управления данными при принятии решений.
Особенность этой задачи состоит в том, как собрать информацию с племхозяйств, входящих в региональную систему разведения. Это достаточно сложная задача многоуровнего сбора и доставки данных, в которой различные объекты разбросаны на большой территории.
В настоящее время на многих уровнях иерархий племхозяйств для решения частных задач используются локальные АРМ, никак не связанные между собой. Используются различные модели данных, как правило, не селекционного характера. Для передачи данных из одного узла в другой используется обычно пересылка дискет, передача файлов по модемной связи или телефону (голосом). Описанная ситуация порождает целый комплекс проблем, из которых наиболее существенными являются следующие:
1. Потенциальная возможность получения противоречивых данных, что вытекает непосредственно из несогласованности информационных моде лей в различных узлах. Так, в настоящее время существует несколько раз личных программ по составлению годовой отчетности в племенных хозяйст вах и на региональных уровнях. Форматы представления даже однотипных данных в них различны. Для согласования данных между такими програм мами используются механизмы экспорта-импорта;
2. Другая проблема - затрудненность обмена данными и, как следствие, несвоевременность поступления информации. Используемый в настоящее время регламентный обмен данными не может обеспечивать оперативность поступления информации. Не используются потенциальные возможности ло кальных и глобальных сетей.
Оперативные данные из племхозяйств поступают в региональный вычислительный центр, обрабатываются и объединяются. При передаче на дискетах задержка может составлять до 30 суток, в то время как оперативно принятое решение в определенных случаях позволяет избежать потерь.
В настоящих условиях дальнейшая эксплуатация существующих АРМ не позволяет принимать управленческие решения и получать отдачу от использования информационных технологий, адекватную вложенным средствам.
Выход из создавшегося положения - унификация существующих программных средств, внедрение в эксплуатацию специализированных программных средств, определение структуры информации, необходимой для решения за
дач каждого уровня (племхозяйство, район, регион, Федерация). Использование унифицированных программ и их тиражирование обеспечит гарантированную доставку, своевременность и целостность передаваемых данных. Поэтому центральным вопросом проектирования структуры баз данных всех уровней является выбор технологии распределенной доставки и обработки данных.
В настоящее время, отрабатывая сетевую технологию, нами разработано программное обеспечение по ведению Банка Данных (СУБД - Система Управления Банком Данных). Система СУБД поддерживает ввод, просмотр, корректировку, удаление, обработку информации, распределенной на нескольких компьютерах с использованием сетевого доступа. Ввод информации (формат баз данных системы ФИАС) осуществляется с дискеты, либо по модему. Возможна работа с данными одного или нескольких хозяйств, животными одной или нескольких пород.
