中国气象图书馆

2020年

  1. 2021年
  2. 2020年
  3. 2019年
  4. 2018年
  5. 2017年
  6. 2016年
  7. 2015年
  8. 2014年

第一期

  1. 第一期
  2. 第二期
  3. 第三期
  4. 第四期
  5. 第五期
  6. 第六期
  7. 第七期

原汁原味

首页 > 《科技信息快递》 >2020年>第一期>原汁原味
NOAA组学战略——变革性工具的战略应用
发布日期 :2021-05-13  
◼ 中国气象局国际司(特约) 译
  组学方法的进步可提高对海洋及五大湖生物群落的监测和了解能力。组学方法速度更快、价格更低廉和侵入性较低,而且提供的信息多于传统方法,因而可使美国国家海洋和大气管理局(NOAA)更好地提供其产品和服务。为此,诸如高通量 DNA 测序和后续的生物信息学分析等技术可帮助国家优先重点工作,包括渔业管理、水产养殖发展、食品和饮水安全、物种和栖息地保护、海产品消费者保护和天然产品发现。

  NOAA 正在扩大对组学的使用。投资组学的重要性在于可提高效率、完善生态系统评估和预报、促进管理以及推进美国蓝色经济,估计这可为美国国内生产总值贡献 3040 亿美元,同时每年可提供 330 万个工作岗位1。蓝色经济包括通过海洋和五大湖提供的资源、服务和效益,例如工作、食品、水、能源、娱乐及商业产品。
  本组学战略以及无人系统、人工智能和云战略旨在通过提高其在整个机构的发展和使用效率、效能以及协调,从而显著扩大 NOAA 对这四个新兴科学技术重点领域的应用。
背景
  从 DNA 测序到小分子分析的这些组学方法正在用于各类关键任务需求。组学测量可显示生态状况,并利用监测,通过测量生物多样性、种群分布、食物网功能和生物丰度报告和跟踪管理措施的有效性。诸如“环境 DNA”(eDNA)分析等创新技术可使用单一的海水或沉积物样本描述从微生物到哺乳动物等各种生命形式,而无需缓慢的分类和计数方法。需要更多详尽生物信息的任务应用包括:维持渔业;发展水产业;抗击有害的入侵生物;改进海产品取证和可追溯性; 发现药物及其它有益化合物; 保护脆弱物种和栖息地,例如珊瑚,因其可提供重要的鱼类栖息地并助力旅游经济。组学方法结合自主抽样为应对船舶和劳动力成本上涨提供了应对方法。对组学信息的需求推动了不断增长的计算需求,进一步激发了本文描述的机构重点。

  鉴于组学工具问世所带来的机遇和挑战, NOAA 组学战略作为一个框架可推进组学应用来满足任务优先重点。本战略可利用 NOAA 当前的组织结构,通过提升计算和分析能力、促进针对性研究、技术转型、提升员工的熟练应用水平,以及增进整个 NOAA 直属单位、其它联邦机构、学术界、校外研究团体和商业界的伙伴关系,从而更有效地实施组学。该战略符合 NOAA 科学咨询委员会的建议及第 13840 号行政命令中的行政优先重点2,包括通过美国蓝色经济促进经济生产力。
——————————————
1 NOAA 海岸管理办公室 2019. "NOAA Report on the U.S. Ocean and Great Lakes Economy." Charleston, SC:NOAA Office for Coastal Management. Available at http://coast.noaa.gov/digitalcoast/training/econreport.html.
2 https://www.federalregister.gov/documents/2018/06/22/2018-13640/ocean-policy-to-advance-the-economicsecurity-and-environmental-interests-of-the-united-states.
愿景
  NOAA 将整合整个机构的现代化组学技术,将其方法转型用到生物调查,并加快对生态系统资源的可持续管理,以造福人民、各界及经济。
目的
  NOAA 组学战略3总体旨在确保向投资于组学技术以满足任务优先重点。通过此战略,NOAA 力求提供一种谨慎和透明的方法以将组学工具纳入研究和业务并进而提供更及时的科学产品和服务惠及社会,从而实现组学价值的最大化。
  目的 1:强化基础设施以满足组学数据的分析需求
  需要新的能力和更强的能力来确保专业地收集、加工、分析、存储和管理新兴的环境数据。组学方法可制作大量的有价值数据,这类数据不但必须要易获取,而且要纳入到用于管理决定的产品和服务中。 NOAA 各实验室和中心计算能力的本地开发以及整个机构对基于云的平台的访问对于组学事业的成功至关重要。组学战略呼吁在 NOAA 预算指南中优先考虑组学方法,重点放在提升计算/生物信息学能力以及提高其科技人员的熟练应用能力。为使成本效益最大化,将与侧重于促进云计算和人工智能能力的 NOAA 其它战略协同努力,实现本目的。

——————————————
3 NOAA 无人系统战略、人工智能战略、组学战略及云战略草案可参见: https://nrc.noaa.gov/NOAA-Science-Technology-Focus-Areas.
  目标 1.1 在设备和船舶上提供充足的实验室空间,用以为组学分析收集、处理和存储样本,同时我们将更多地利用 UxS(无人系统)进行数据收集(参见 NOAA 无人系统战略)。
  目标 1.2 获得所需的分析和计算基础设施用于制作、分析和管理大量组学数据集,并更多地利用商业云进行计算和数据存储(参见 NOAA 云战略草案, 2019 年 11 月)。
  目标 1.3 扩大识别基因序列的数据库,并开发所需的生物信息工具用于管理和判读时间序列数据,包括通过生物多样性监测判读大尺度环境变化的影响。
  目标 1.4 创建中央资料库,以共享协议、标准,并安置生物信息学管道,以支持各实验室和项目的实践团体。
  目标 1.5 利用诸如机器学习和人工智能(参见 NOAA 人工智能战略)等计算方法,帮助判读基因变化,并识别与环境数据的关系。
  目的 2:开展针对性组学研究以支持和促进美国蓝色经济
  利用组学技术和工具进行最先进的研究可加快研究转化,惠及 NOAA 美国蓝色经济优先重点。以组学为依据的数据产品和预报可促进做好应对生态威胁的准备工作,因生态威胁可使美国每年花费数十亿美元。同样,它们可培育市场和创造就业。为此,NOAA 将投资于针对性研究,解决根本问题、建立基线并利用可支持并受益于组学方法的现有观测和探索计划。

  目标 2.1 改进对有害藻华、毒素、病原体和入侵物种的探测和监测,以保护健康和沿海经济。
  目标 2.2 利用基因分析来确定欺诈和非法采购海产品,从而支持消费者保护和可持续捕捞规范。
  目标 2.3 利用组学优化动物健康、产量和产品特性,同时支持安全及可持续的养殖规范,从而促进水产业发展。
  目标 2.4 利用组学增加用于评估目标种群结构和分布、生成丰度指数并描述支持它们的食物网特征的信息广度、深度和流量,从而维持渔业资源并保护脆弱物种。
  目标 2.5 促进探索生物多样性和生物勘探,以发现具有药用价值或其它商业价值的天然产品,并在使用海洋遗传资源方面发挥国际领导作用,同时保护生物多样性。
  目的 3 加快将组学研究向应用过渡
  组学技术可为增强现有数据收集提供动力,而且可能取代某些情况下的调查方法。 NOAA将迅速加快将组学研究过渡到 NOAA 业务(R2O)和私营部门商业化(R2C-及 R2X)。将研究转至应用的过程通常被描述为管道或漏斗,但 R2X 过程实际上是迭代和可变的4。成功的要素包括确立当前不确定性、了解任务需求、多学科团队以及与最终用户的合作。过渡的时限取决于技术进步和资源投入,也取决于使用案例的具体情况,例如地理位置或组学分析的目标生物。综合各项技术可加快研究过渡。例如,将组学方法配合自主采样或声学分析或荧光分析,可增强日常测绘业务。
——————————————
4 组学战略包括“R2X” 考虑因素,即研究过渡到业务、过渡到应用和过渡到商业化,以及对研究的反馈。因此,组学战略要考虑各项活动的全部 R2X2R 反馈。
  建立长期组学观测可提供关于当前研究如何转化为业务的范例。时间序列应用包括监测生物多样性以确保可持续的资源使用。范例包括脆弱的生态系统,例如珊瑚礁。组学还可通过发现和选择那些对高温、 pH 值或疾病等压力源具有抗御力的基因,从而为恢复工作提供依据。

  目标 3.1 开展实地试验以确定业务需求,组学方法与传统方法校准,并阐明设计规范以加快生成有效的方法。
  目标 3.2 推广统一的方法进行样本和元数据收集、样本加工及数据在可公开搜索档案中的存储,以促进互可操作性和时间序列的建立。
  目标 3.3 开发组学生态系统指标并将其纳入报告、模式及预报中,以惠及海产品安全、公共卫生和经济保护。
  目标 3.4 将组学与现有和新兴的技术相结合,以协同发挥各方法的优势,从而加快业务创新。
  目标 3.5 与 NOAA 直属单位过渡管理员(LOTM)一道制定过渡计划,概述技术转让的步骤并为组学 R2X 提供激励和支持。
  目的 4 扩大伙伴关系以促进组学在整个机构的研究和应用
  组学的快速发展步伐需要 NOAA 各直属部门、计划、国家和国际机构以及与包括学术、商业和慈善伙伴在内的外部机构之间的沟通与协调。
  目标 4.1 建立 NOAA 组学执行委员会,由首席科学家担任主席,负责指导组学工作组(OWG)共享信息机会,并在整个机构促进本战略所述的优先重点。
  目标 4.2 使现有的国家和国际小组参与加强组学技术改进、标准化、长期观测和数据及样本存档。
  目标 4.3 在现有机构间资助机会中优先考虑组学研究,以促进组学研究和开发。
  目标 4.4 在各机构间以及在国际上促进协调类和协作类项目,以促进组学应用。
  目标 4.5 利用现有载体,建立和保持与私营部门及学术界的伙伴关系,以鼓励参与联邦组学研究和开发,并提升商业化的潜力。
  目的 5 提升员工的组学水平

  训练有素的员工对于 NOAA 组学事业至关重要。 NOAA 将强化其员工,以便加快了解海洋和五大湖生物及生态系统如何适应在地方、区域和全球尺度的环境变化或压力。
  目标 5.1 开展基线需求评估为全球实施提供依据。
  目标 5.2 提供有关组学数据收集和生物信息5分析方面的培训,以提高现有员工的专业知识。
  目标 5.3 招聘和留用具有生物信息专业知识的信息技术(IT)专业人员和科学家,以弥补为序列数据进行生物或环境背景分析和提供方面的现存能力差距。
  目标 5.4 针对实验室设施的具体岗位情况,创造机会为员工、实习生和研究员提供职业发展,并促进组学项目和数据整合。
  目标 5.5 NOAA 轮岗计划(NRAP)将轮调集中于那些通过交叉传授组学专业知识提高员工整体应用水平的目标单位。
结论

  NOAA 致力于持续开发和实施组学技术,以应对其多重任务中面临的复杂挑战。 NOAA 组学战略确定了各项目的和目标,旨在提高应用水平、开发所需的项目和伙伴关系以将组学纳入任务领域,从而推动可持续的海洋经济。 NOAA 组学实施计划将进一步详述如何完成本战略所述的投资领域。结合我们在NOAA其它科学技术重点领域取得的进步,例如人工智能、无人系统和云计算等, NOAA 组学活动将显著提高绩效,并展现我们卓越的环境科学领导地位。
——————————————
5 以组学科学推进 NOAA 任务的这种应用能力取决于在组学相关计算科学(生物信息学)方面拥有必要的专业知识。生物信息学是结合了生物学、计算机科学、信息工程、数学和统计学来分析和解释组学数据。