基于专利数据的水稻基因技术分析

逄洪波, 金 明, 赵宇航, 赵宗耀

(沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034)

0 引 言

水稻是世界最重要的粮食作物之一,世界近一半人口以水稻为食[1],在世界粮食安全问题上占据着重要位置。水稻作为我国第一大粮食农作物,占据我国年均粮食总量的40%[2-3]。随着工业、医药行业、生物行业的不断发展,以及研究人员在分子水平上的研究不断加深,对水稻应用的研究也在分子层面取得了突破,例如:具有医药价值的霍乱疫苗转基因水稻、乙肝疫苗水稻[4]等。由此可见,水稻的相关研究一直都是研究者们关注的热点。如今基因已经成为生物领域的研究热点,从基因角度发现问题并解决问题逐渐成为研究的主流之一[5]。在水稻的生长过程中对基因进行有效控制,可以提高对水稻基本形态发育的控制[6]。对一些常见的水稻病害:白叶枯病、纹枯病、稻瘟病等,从基因方向探寻抗病害的基因进而进行育种优化已经成为该领域的技术热点。

专利作为对有应用价值的新技术的发现点,能够从客观上说明当前技术的发展情况,通过对专利的分析甚至可以预测未来的发展趋势[7]。专利信息与科学文献的时效性可以提供最近的技术情报,尤其是通过对各个方面的专利信息的分析,可以宏观了解研究产业的技术发展趋势等问题[8-11]。由申请人的国别和类别,也可以判断一个国家水稻基因技术方向的实力以及其技术的主要集中位置。Incopat平台收录包括中国、美国、英国等全球112个国家、地区、组织等超过1亿件的专利数据,是最近几年众多优质企业所选择的专利数据统计与分析工具,其独特之处在于对专利强度的评析。经过对专利数据的分类处理,可以检索并搭配的关键词达到200余个,并且在数据分析方面,Incopat平台融合专利的转让、审查、通信标准等权威信息。同时,Incopat平台支持70多个数据角度的自主分析,可以实现地域热点图、饼图等直观可视化形式。

本研究以水稻基因技术为研究对象,通过Incopat平台对水稻基因技术方向的数据进行统合处理,并最终从水稻基因技术的全球发展趋势、中国省市排名、全球技术构成、技术申请趋势、申请人专利价值等方面进行重点分析。希望可以为研究者以及政府在该方向的政策制定、技术发展应用前景、技术未来资源分配等,提供数据支撑。

1 数据的来源及方法

1.1 数据来源

数据来源于Incopat专利检索分析平台,检索关键词为“rice”,选取时间为2000年1月1日—2018年12月31日的专利数据,经过一系列的筛选,最终符合要求的专利数据为4404件,可见水稻基因技术方向已经成为水稻乃至农业领域的研究重点。

1.2 数据分析

在统计出所需要的数据后,主要依据Incopat专利分析平台自带的对发展趋势、技术构成、申请专利价值等的分析功能,通过Excel图表等分析软件的应用,最终完成对数据的分析处理。

2 结果与分析

2.1 全球水稻基因技术的趋势分析

从全球水稻技术的年度申请情况(图1)分析,全球水稻基因技术的发展趋势并非单一的增长或递减,而是呈现起伏不定的态势,为便于说明,这里将从整体与局部2个方面加以分析。

图1 水稻基因技术全球申请趋势Fig.1 Global application trend of rice gene technology

2.1.1 水稻基因技术方向的整体分析

虽然水稻基因技术的发展状态不稳定,但从整体角度来说,还是不断增长的状态,并且在2012年达到其专利数量的峰值,随后专利数量减少,在2000—2007年间,专利申请及公开数量较少,增长状态缓慢,甚至出现衰退现象,可以看到整个研究方向处于一个懵懂的萌芽状态,在此期间,对水稻的相关研究其研究热度分散、研究方向单一、创新程度不高、所能探寻的技术领域有限。

2008—2012年间,水稻基因技术方向专利数量整体激增,呈上升趋势,从中可以看出,此时正是基因技术与农业领域结合的开端,研究者们的目光不再拘泥于已知的范畴,已经开始转移向学科技术的交叉,多种技术的融合,更多的是开始研究其他方向。例如:选育方向、病害测定方向等,研究方向的多样性激发了研究人员的热情,并且随着一个又一个研究区域被攻破,与其他学科领域结合更加密切与多元化,在2013年,水稻基因技术方向的专利申请数量为459件,创造了难以超越的峰值。此段时间,是新兴领域高速发展的时间,是基于萌芽阶段所积累的科学经验的一次厚积薄发,达到在水稻基因技术方向的成长期。

2013—2018年,水稻基因技术方向的专利数据减少,整体呈下降趋势,通过成长阶段的不断发展,水稻基因技术已不单单是一个研究热点,而是进入了一个产业化阶段,随着资本以及政策的支持,水稻基因技术在稳定发展,或是对已有的研究方向进一步深化研究,或是开发出新的基因技术点。总体来说此阶段水稻基因技术已经进入了成熟阶段,并且专利研究方向已从简单的除病害延展至新的领域,例如高营养价值、医药价值等。

2.1.2 水稻基因技术发展趋势的局部分析

通过水稻基因技术发展趋势的局部不稳定性,我们从每个局部变化的最低点为起始点,截取至下一个减少的变化趋势的最低点,可得出如下时间区间:2000—2004年、2005—2007年、2008—2011年、2012—2014年、2015—2018年。下面选取3个时间段:2000—2004年、2008—2011年、2012—2015年进行分析。2000—2004年,是萌芽阶段,并在2002年达到其时间段的小高峰154件,这种小高峰的出现意味着水稻基因技术在这一年在某个研究方向取得了重大突破,以及一系列进展。2008—2011年是水稻基因技术的高速发展时期,此时,一些掌握高端技术或在一些技术领域取得重大突破的研究机构会更上一层楼。2012—2015年进入衰减阶段,成长阶段的创新领域已经处于研究的饱和状态。这并非是水稻基因技术走向衰退的预兆,而是暗示了水稻基因技术将进入新一轮的技术研发阶段,一旦出现某个创新研究方向,专利数量将会再次出现一个新的高峰。

2.2 水稻基因技术在世界以及中国省市的发展

水稻基因技术全球分布如图2所示,从图中我们可以发现排名前10的国家(或地区、组织)依次为:中国、韩国、美国、世界知识产权组织、日本、欧洲专利局、澳大利亚、加拿大、印度和德国。其中相比于其他国家地区及组织,中国在水稻基因技术方向的专利数量为3 236件,占据全球水稻基因技术方向专利数据总量的71.4%,以绝对的领先优势引导着水稻基因技术方向的发展。这与水稻原产于我国,以及我国的地理优势密不可分。我国幅员辽阔,地大物博,单季稻稻作区,处于大兴安岭以西;东北早熟单季稻稻作区,位于辽东半岛以及长江以北;华中双季稻稻作区,北起秦岭、南接南岭、东起东海之滨、西至成都平原西缘。 广袤富饶的地理环境为各个地域的研究者们提供了不同的水稻类型和生长环境, 使得研究者们可以考虑环境因素的改变, 这对水稻基因技术无疑是关键助力。韩国以364件专利数量位于第2位,美国以231件专利数量居于第3位,这与每个国家的饮食习惯,水稻在其国民日常生活中的作用息息相关。

图2 水稻基因技术全球地域分布Fig.2 Global distribution of rice gene technology

图3 中国省市水稻基因技术排名Fig.3 Ranking of rice gene technologies in provinces and cities in China

我国各省市在水稻基因技术方向上的专利数量如图3所示。从图中可以看到排名前10的省份依次为:北京、浙江、湖北、江苏、上海、广东、安徽、湖南、山东、福建。其中北京以802件占据全国水稻基因技术方向的专利数量的25.1%,湖北以436件占据全国水稻基因技术方向的专利数量的13.7%。上海、安徽、山东等地依据其自身优势在全国前10名中占有一席之地。如果美国是世界科学技术的聚集中心,那么北京则是我国高端人才、前沿科技的汇聚之处。北京作为我国首都,是各大高校、科研机构占据比例较多的地方,为水稻基因技术方向的研究者提供了技术方向的支持。值得注意的是,湖北以436件的专利数量位于第3位,这更多是得益于华中农业大学在水稻基因技术方向取得的突破性研究。一向被称作“黑土地”的黑龙江省和吉林省分别以18件和19件专利数量位于全国省市排名的22和23位,这也侧面反映出东三省虽然土地资源丰富,有着自身独特的竞争力,但在前沿技术方面依旧存在一定的问题。农业相关科学技术一向是各省市竞争的主要领域之一,尤其是在与水稻为主要粮食的我国,对水稻基因技术方向的研究突破会在一定程度上影响着地方经济情况。上海作为我国经济中心,在水稻基因技术方向上取得的成果并不逊色,以235件位于全国专利数量第5名。由此可见,我国各省市对于水稻基因技术发展从最初的普遍简单种植,单一研究过度到如今以科学技术为主要发力点的前沿研究,各省市之间的相互协作,良好竞争,共同促进了我国水稻基因技术的快速发展,更为全球水稻基因技术领域的发展起到了引领作用,做出了突出贡献。

2.3 水稻基因技术聚焦及发展趋势分析

对全球在水稻基因技术方向的领域进行数据统计分析,如图4所示,水稻基因技术构成排名前5的方向有:C12N、A01H、C07K、C12Q、C07H。C12N以4 220件位于第1位,占据总体水稻基因技术方向的38.4%,C12N方向为对微生物或酶的研究。近些年,微生物与酶的研究一直是研究热潮,从微观世界发现生命,来改变现存的问题,是研究者们的研究理念。例如:微生物发酵,微生物与环境治理等。

图4 水稻基因技术的技术聚焦Fig.4 Technical focus of rice gene technology

A01H方向的水稻基因技术研究专利为3 000件居于第2位,A01H是在改良基因方向的研究。随着社会经济的不断发展,人们对生活质量的要求不仅限于温饱,而是追求更优质的生活。高营养型水稻,地方特色稻米层出不穷。这些水稻有相当一部分是通过基因改良得以实现。除此之外,基因改良技术方向应用更多的领域应该是针对病害的治理消除。水稻常见的病害有白叶枯病、纹枯病、稻瘟病等,一旦发生病害将会对水稻自身造成极大的损害,也会对国家经济造成一定的影响,所以对于病害方向的基因改良技术一直是科研工作者们不懈追寻的突破口。

C07K方向的水稻基因技术的研究专利为1 657件,处于第3位。C07K是在制造业、有机化学方向的研究。众所周知,许多农作物,例如玉米、大豆等,其作用不仅是食用价值,在制造业、有机化学方向也有重要应用,水稻基因技术亦然。作为优质的制糖、酿酒的原料,水稻的质量优势很大程度上决定了糖类以及酒的价值,而且米酒作为我国远销世界各国的一个重要出口销售商品,不仅受国人的喜爱,还代表了我国的文化传承。

C12Q为酶与微生物检测方式研究方向[12],C07H为糖类与核苷等方向的研究。

随着技术的不断发展,以及科学所要解决的实际问题不断改变,水稻基因技术的侧重方向也随之发生改变,从图5中可直观地发现在2000—2009年间,C12N方向的研究变化并不明显,即使稍有波动也不影响整体变化情况。A01H在2000年与2001年稍有起步,从2002年的小高峰至2007年的低迷状态,侧面反映出全球的研究者们在A01H方向上关于水稻基因技术不断探寻的过程,为后期的爆发积累了许多科研成果基础。此时,在C07K、C12Q、C07H等方向上的研究则表现出不温不火的颓势,可以推测,在这段时间水稻基因技术对于科研工作者们来说是一个全新的领域,每取得一项成果均是一个突破。在2010—2016年间,各研究方向的水稻基因技术的专利数量呈现爆发性增长,尤其是C12N与A01H,在2013年同时达到专利数量的最高峰,分别为424和304件。其他方向如C07K、C12Q与在2000—2009年相比也均有增长,从研究方向的增长趋势我们可以看出,相比于其他农作物研究方向在若干年内的不稳定性,水稻基因技术的研究方向重点相对稳定,C12N方向即酶与微生物方向与A01H方向即改良基因方向一直是研究经久不衰的热点。不过在2007年与2018年中,C12N与A01H均进入了衰老期。不过,这并不意味着衰退或是步入“黄昏领域”,而是科研工作者们在2017年与2018年不断探寻在水稻基因技术方向研究的更多新的可能性。

图5 水稻基因技术研究方向变化趋势Fig.5 Trends of rice gene technology research direction

综上所述,在水稻基因技术方向的专利数量,关于微生物与酶的研究占据了主要地位,而制造业以及与有机化学学科相交叉的研究会是一个值得科研工作者们不断探寻的新领域。同时也为我们的研究方向提供了新的思路,即保持学科与学科之间的融会贯通,而改良基因一直是研究的热点,这也表明,追其根本,水稻的实际应用是解决人们的食用问题。

2.4 申请人分析与申请人技术构成

Incopat的专利申请人柱形分析图(如图6所示)可以将数据转化成直观的对比分析图,从中我们可以看到各专利申请人在水稻基因技术方向的专利数量上的差距。在水稻基因技术方向的专利申请人排名前十的依次为:华中农业大学、中国农业科学院作物科学研究所、中国水稻研究所、中国科学院遗传与发育生物学研究所、浙江大学、国际农业生物科学研究所、南京农业大学、中国科学院植物研究所、安徽省农业科学院水稻研究所、华南农业大学。从中我们可以看出,我国高校以及科研单位在水稻基因技术方向取得了很大的成就,除了国际农业生物科学研究所以外,其余九位均是我国高校和科研单位。华中农业大学以288专利数量位于第1位,占据前10名水稻基因技术方向的专利数目的18.9%。这与华中农业大学近几年积极引入青年高端人才,着重培养青年教师,鼓励研究人员实事求是、潜心钻研有关。中国农业科学院作物研究所与中国水稻研究所,中国科学院遗传与发展生物学研究所,中国科学院植物研究所,这些科研机构近些年加大对研究生以及研究人员的培养力度,使研究者们将理论与实际相结合,在实践中更接近理论,使理论在实践中应用。此外,浙江大学、南京大学分别以自身的地理优势,人才优势等取得了不俗成绩。从对申请人的分析我们也可以清楚地看出水稻在我国农作物方面的重要地位。

图6 水稻基因技术申请人排名Fig.6 Ranking of rice gene technology applicants

关于申请人排名的分析可以看出某一领域国家、机构或者企业对该领域的掌握情况。在水稻基因技术方面,我国的高等院校和科研机构掌握着世界前沿技术与资源。可以说是在这方面的“领头羊”,也说明了我国在水稻基因技术方面的雄厚实力,以及国际地位。长久以来,对于农作物的国际市场竞争一向是各国科研工作者的竞争关键。研发技术,随即掌握技术核心,与市场相结合,从而形成垄断趋势。在这样的竞争中,每个国家都力求分得一席之地。我国作为水稻基因技术方向的领军者,在将技术与市场相结合的同时,并未实施垄断策略,而是保持一种“百家争鸣”的态势,对新兴的研究机构或者企业个人给予一定的引导。不过,随着后起之秀的不断增多,我国的科研工作者也在探寻着突破新的科研壁垒。

图7 申请人技术构成Fig.7 Technical composition of the applicant

依照申请人技术构成(如图7所示),可以发现,即使大多数申请人为我国高校和科研单位,不过每个高校和科研单位在水稻基因技术方向的研究侧重点不尽相同。从图7可以看出:华中农业大学在C12N方向的专利数量为287,占据申请人前10名在C12N方向专利总数的19.1%,可以说华中农业大学的研究方向更侧重于C12N,在C12Q的研究方向上,中国水稻研究所拔得头筹,占据申请人前10名在C12Q方向专利总数的26.8%,中国农业科学院作物科学研究所以及中国科学院遗传与发育生物学研究所在C12N、A01H、C07K方向的研究均有成果。值得注意的是,浙江大学在G01N,国际农业生物科学研究所在C12P的方向领域取得一定成绩,这无疑是对水稻基因技术的一个新的指引。

2.5 申请人专利价值

专利价值的评定是Incopat平台特有功能之一。通过对专利申请人的专利价值进行评估,可以直观地看出,每个申请人在水稻基因技术方面专利的实际影响力以及价值大小。如图8所示,排名前十位的专利申请人专利价值大多处于中等及中等以上,从中可以反映出,各位科研工作者专利的引用率或者影响力都在提高。华中农业大学在水稻基因技术方向的专利数量第一,且专利质量大多居于中等,在数量上高于其他申请人,质量也有一定地位,说明华中农业大学在水稻基因技术方面处于领导地位。尽管国际农业生物科学研究所在水稻基因技术方面的专利数量为130件,仅排名第7位,但是其具有高等影响力的专利数量占据其在水稻基因技术方向全部专利数量的55.3%,在排名前10的专利申请人中该比例位于第1位。同样,虽然中国农业科学院作物科学研究所在专利数量方面位于第2名,但是其中等以上专利数量占据了较大比例。这也从侧面反映出,在专利研发申请的问题中,我国高校及科研机构并未完全成熟,虽然在水稻基因技术方向的专利数量占据优势,技术处于国际领先地位,但是海外申请和影响力等方面不及国外组织。这与我国的国际市场未达到完全普及有关,不过更多在于我国的研究者们对于自身专利质量的严格把关,积极与海外合作,加强沟通交流,逐步完善自身专利价值,力求发明出不仅在国内有着重要影响力,还要具有一定国际地位的专利。

图8 申请人专利价值Fig.8 Patent value of the applicant

2.6 水稻基因技术的国民经济贡献和中国专利的有效性

水稻基因技术方向的专利在国民经济中影响如图9所示,从图中可以看出,水稻基因技术对国民经济的影响大多数为C27即医药制造业,占据水稻基因技术方向专利所贡献的国民经济的91.38%,也有部分处于A01,为农业的范畴,占据水稻基因技术方向的专利所贡献的国民经济的8.11%,从中可以推测水稻基因技术在医药制造业的应用是广泛的,并且成为将来一段时间的主要经济来源。

图9 水稻基因技术在国民经济的构成

图10 水稻基因技术专利的有效性Fig.10 Validity of rice gene technology patents

专利有效性是判断一个研究方向“活力度”的重要指标(图10)。从专利有效性角度看,水稻基因技术全部申请专利的3 236件中,有效专利、审中专利、失效专利数量依次为1 361、858、1 017。其中有效专利占据专利总数量42.06%,审中专利占据总数量26.51%,无效专利占据专利总数量31.43%。从专利的授权情况来看,水稻基因技术的研究依旧为一个比较活跃的技术领域,不过要注意的是,相比于其他研究方向,审中专利的数量所占比例为26.51%,并未达到1/3的数量,这会在未来的某一段时间出现技术热度降低的现象。

3 结 论

关于水稻基因技术方向的专利数据做了全球发展趋势、中国省市排名、全球技术构成、申请人排名、申请人专利价值等角度的分析,可得结果如下:

1) 全球在水稻基因技术方向的研究经历了萌芽阶段、成长阶段、成熟阶段,如今已步入了衰老阶段。不过,依据对全球水稻基因技术发展趋势的局部研究可以发现,每当进入一阶段的低迷期,都会是下一个辉煌时期的开端。随着水稻基因技术与其他相关学科的交织越来越紧密,研究领域将不断扩大。值得注意的是,从技术构成角度分析,我国的研究进展大多集中在“传统领域”,如微生物与酶,在新的研究领域的尝试并不足够,这是科研工作者们需要关注的一点,提防某一领域的研究达到上限后,没有新领域的研究成果补充,而出现“断崖式”跌落。

2) 中国部分省市在水稻基因技术的发展上并未达到理想状态,一方面表现了政策的制定有失偏颇,更多的则是人才匮乏问题。我国是农业大国,水稻更是占据着重要地位,如何将水稻与基因技术结合,并应用于实践中,是科研工作者们将要考虑的问题,也是一个地方省市所要关注的问题。

3) 相比于其他农作物的相关技术,我国水稻基因技术位于世界首位,并且掌握着核心技术。这是我国在提高世界农业科技竞争力中不可或缺的一点。同时,也会是世界其他国家、组织、地区亟待突破的一点。从专利数量上可以看出,我国不乏优秀的水稻基因技术方向的专利,也不缺少未被关注研究的新领域。但是相较于其他国家、组织和地区,我国在水稻基因技术方向的专利价值需要科研工作者们的关注,不是一味追求专利数量,而是要戒骄戒躁提高专利质量,促进与海外研究人员的密切交流,也可以尝试在海外申请专利,扩大我国在水稻基因技术方向的影响力,为我国进一步拓展海外市场奠定坚实基础。

4) 未来在水稻基因技术方向的竞争会趋于白热化阶段,我国的科研工作者们除了面对“领域的饱和期”也会面临更大的挑战。相信在国家相关政策的支持下,我国科研工作者们会突破新领域的迷茫期,取得进一步发展。