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一粒種子如何撬動世界?

華為 ? 來源:未知 ? 2023-10-31 11:15 ? 次閱讀

唐代詩人白居易曾感嘆:“夜來南風起,小麥覆隴黃”,只言片語便描繪出農(nóng)耕社會里麥熟時節(jié)的盛夏光景。古時,農(nóng)人以深耕細作守護著口糧與生計,朝夕交替間,人類的悠遠文明便在這份原野的守護中徐徐展開。

時過境遷,在數(shù)字時代的今天,也有這么一群深扎熱土的“田間守護者”。

來自北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院(以下簡稱“北大農(nóng)研院”)的小麥抗病遺傳育種團隊,便憑借對植物基因組的多年研究,從小麥及其近緣種屬中發(fā)掘、定位、克隆、轉(zhuǎn)育到多個優(yōu)異的抗銹病基因,如Sr13和Yr15等,足以大幅提升主栽小麥品種的韌性,已幫助全球不同國家培育新物種超過100個。

事實上,小麥作為當今依舊最重要的糧食作物,在種植栽培上所面臨最大的病害便是小麥銹病。其危害強、范圍廣,輕則致麥粒不飽滿,重則致麥株枯死,若不根治,將長期威脅我國小麥的產(chǎn)能與質(zhì)量。

這背后,是北大農(nóng)研院對植物基因技術孜孜不倦的突破,是麥浪涌動間對土地的另一種數(shù)字守候。

糧安天下,種鑄基石

黃土地間的數(shù)字涌動

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在遺傳學中,每種生物都蘊含了特定的一組基因,稱之為基因組,其蘊藏著這一生物的起源、進化、發(fā)育、生理等重要信息。通過控制蛋白質(zhì)或控制酶的合成,這些基因?qū)⒅苯踊蜷g接地控制生物的性狀,譬如玉米植株的高矮、產(chǎn)量的高低、是否抗倒伏等等。

如今,全球糧食依舊呈現(xiàn)緊缺與分配不均的現(xiàn)狀,如何快速提升水稻、小麥、玉米等農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量?溫度、光照、水分、土壤的復雜影響下,如何提高作物對干旱、霜凍等嚴峻環(huán)境的抗逆性和適應性?全球每年多達40%的農(nóng)作物產(chǎn)量因病蟲害而損失,如何發(fā)現(xiàn)更具抗病蟲害能力的作物品種,提高抵御力?

基因組測序與分析技術,便是回答這一系列問題的答案。

自1990年學界啟動“人類基因組計劃”以來,一系列作物基因組計劃也相繼啟動,如水稻基因組計劃、玉米基因組計劃、小麥基因組計劃,致力解開作物基因組的謎團。通過研究不同植物品種在基因圖譜上的表現(xiàn)規(guī)律與特殊功能的關聯(lián),再進行編排、重組,為作物遺傳改良和新品種培育提供極佳的思路和方法。

然而,對作物基因組的研究分析過程又是極其復雜的,這包括了基因序列比對、基因表達分析、基因功能注釋、基因網(wǎng)絡構(gòu)建等,涉及海量數(shù)據(jù)的處理和讀寫。

例如,一株小麥的基因組數(shù)據(jù)就有17GB之大、重復序列含量高達85%、過程數(shù)據(jù)將膨脹5倍之多,致使基因組破譯難度巨大,組裝一個大型作物基因組可能需要短時間內(nèi)并行處理數(shù)百萬個序列片段數(shù)據(jù),注釋則需要對數(shù)千個基因進行功能預測和分類。

換句話說,要想推開植物基因奧秘的大門,就要先通過一輪對存儲底座的試煉。

“小麥跟人一樣也會生病,我們要做的就是為小麥植入‘抗病’程序。”作為農(nóng)業(yè)創(chuàng)新的先行者,北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院已經(jīng)走在與小麥銹病作斗爭的路上很多年。基因組數(shù)據(jù)的高效處理和存納離不開一個得力的助手——超算平臺,為各項研究提供高性能計算、組學分析和科研數(shù)據(jù)存儲服務。

這其中,離不開華為OceanStor Pacific分布式存儲的鼎力相助。基于華為OceanStor Pacific分布式存儲這一強大的數(shù)據(jù)基礎設施底座,雙方攜手構(gòu)筑基因數(shù)據(jù)分析平臺,滿足研究院各類植物基因生信分析任務,為智慧農(nóng)業(yè)研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)資源大數(shù)據(jù)等方面提供強有力的支撐。

守護金飯碗、菜籃子和油桶子

海量數(shù)據(jù)的安心之選

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在風吹日曬的山野耕種中,農(nóng)人需要在犁地、播種、施肥、鋤草、灌溉等一系列環(huán)節(jié)對作物進行悉心呵護;而在漫長冗雜的植物基因科研中,數(shù)據(jù)存儲也需要對海量數(shù)據(jù)發(fā)揮同樣的作用。

植物基因組測序、注釋、編輯和模型計算是典型的大規(guī)模數(shù)據(jù)密集型場景,北大農(nóng)研院的基因數(shù)據(jù)分析平臺便必須承載整個流程的全部數(shù)據(jù),包括收集而來的原始基因組數(shù)據(jù)、經(jīng)過清洗或打碎后的大量片段文件、基因比對與變異分析過程的中間信息、以及長期歸檔以供未來二次分析的溫冷數(shù)據(jù)。

一系列數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)和調(diào)度,都需要強大的數(shù)據(jù)存儲作為擎托。北大農(nóng)研院對此提出了清晰的訴求:
  • 其一,作物基因組研究中涉及到大量的基因組測序、表達譜測定、SNP分析等數(shù)據(jù)產(chǎn)生,需要充足容量、巨大吞吐量的數(shù)據(jù)底座支撐;
  • 其二,由于基因測序的整個過程會有持續(xù)化的碎片文件讀寫,絕不允許被中斷,這就要求支撐測序應用的存儲系統(tǒng)具備極致的穩(wěn)定性和可靠性,確保數(shù)據(jù)不會丟失或損壞;
  • 其三,在冷凍電鏡和基因數(shù)據(jù)分析工作中,對存儲系統(tǒng)的整體性能、小文件處理能力提出更高要求。

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在華為的助力下,北大農(nóng)研院面臨的一系列挑戰(zhàn)迎刃而解。

首先,存得下。在容納海量基因數(shù)據(jù)方面,北大農(nóng)研院通過借助華為OceanStor Pacific分布式存儲構(gòu)筑了超大容量資源池,為研究院眾多基因組、轉(zhuǎn)錄組、表觀組及代謝組、蛋白組和智慧農(nóng)業(yè)研究提供充分支持。源于OceanStor Pacific的超高密硬件設計,在高效散熱與空間利用上的創(chuàng)新突破,單框可容納高達120塊盤,容量密度領先業(yè)界至少30%。

其次,用得穩(wěn)。OceanStor Pacific以軟硬結(jié)合構(gòu)筑多級可靠性保障。從硬件上,其采用全FRU(Field Replaceable Unit) 設計,可滿足7×24小時不停機維護。從軟件上,其采用跨節(jié)點大比例動態(tài)EC算法,可滿足4節(jié)點同時故障業(yè)務不中斷。經(jīng)POC實測,整體集群具備穩(wěn)定、高可靠能力,保障了不同作業(yè)負載下的持續(xù)運行。

第三,跑得快。OceanStor Pacific單存儲節(jié)點讀帶寬實測達到6GB/s,近乎翻倍的性能滿足北大農(nóng)研院更高的高通量表型組圖像處理需求,最大化提升計算資源效率。同時,OceanStor Pacific采用新一代OceanFS并行文件系統(tǒng),一套存儲滿足基因測序異構(gòu)計算高帶寬和高IOPS要求,并結(jié)合DPC分布式并行客戶端,消除單流與單客戶端的性能瓶頸,支撐I/O級負載均衡的全場景加速。

存力加持

洞見每粒種子的巨大潛能

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事實上,小麥抗病育種僅僅是北大農(nóng)研院在探索農(nóng)業(yè)與科技融合的冰山一角,我們還看到了其基因工程多姿多彩的產(chǎn)物。

例如,首個西瓜T2T無缺口參考基因組成功組裝、注釋并發(fā)表,成為業(yè)界里程碑意義的研究成果;大豆玉米帶狀復合種植潔田模式,在玉米不減產(chǎn)的前提下,一畝地能多收300多斤大豆;創(chuàng)建了一套高效精準的基因編輯工具,可使黃瓜遺傳轉(zhuǎn)化率提高25倍以上……

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地能盡其利,則民食足;物能盡其用,則材力豐。在基因技術、數(shù)字技術點亮大地之前,存儲底座必須更堅實、更強大一點。

從土壤深處到民生大計,華為分布式存儲為基因工程產(chǎn)業(yè)搭建起一級級“存得下”、“用得穩(wěn)”、“跑得快”的數(shù)字臺階。當我們踏著華為分布式存儲的臺階,一個又一個生物育種技術的創(chuàng)新成果便近在眼前,熠熠生輝。

今天,很多人類的科學問題、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化問題,最終都變成了數(shù)據(jù)的問題。而人類今天所面對的數(shù)據(jù)密集型場景,也遠不止基因測序這一個。華為OceanStor Pacific分布式存儲將持續(xù)創(chuàng)新,點燃千行百業(yè)數(shù)字化的躍升引擎,釋放海量數(shù)據(jù)的非凡潛力。

wKgZomVAcmOATG6BAABZYDA4_KI499.gif點擊閱讀原文,了解更多華為數(shù)據(jù)存儲資訊!


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