刺梨产业育种环节专利的现状及主题演化与发展趋势

黄 莹， 欧国武， 黄 婧

(贵州省农业科学院 现代农业发展研究所， 贵州 贵阳 550006)

0 引言

刺梨是中国西南部山区特有的野生水果之一，是天然的药食两用水果，《本草纲目拾遗》最早说明了刺梨的价值及“天下刺梨看中国，中国刺梨看贵州”的先天区位优势[1]。1943年，“刺梨之父”罗登义教授在《药学文摘》中刊载了刺梨的营养价值，引起国内外科学界广泛关注，开启了刺梨的产业化之路[2]。“十三五”以来，贵州省出台了《贵州省“十三五”现代山地特色高效农业发展规划》《贵州省推进刺梨产业发展工作方案(2014-2020年)》《贵州省农村产业革命刺梨产业发展推进方案(2019-2021年)》等一系列政策措施，将刺梨产业确定为贵州省山地特色高效农业经济新的增长点。深入实施知识产权战略是全面深化刺梨产业改革的重要支撑与保障，是推动经济结构优化升级的重要举措。对刺梨产业专利进行分析，根据刺梨产业链各环节特征，将刺梨产业分解为育种、栽种采收、加工和深加工4个子领域，形成子领域检索式，建立子数据库，并进行数据标引。专利数量巨大，相互间的复杂联系蕴含于半结构化的高维知识单元关系之中，运用知识图谱及其多维尺度分析进行降维[3]，可视化地展示专利相互间的复杂联系、当前研究热点及未来趋势，以充分发挥专利信息对刺梨产业发展决策的引导力，进一步提高刺梨产业的发展规划及运行决策的科学化程度，推动刺梨产业布局更加科学、产业结构更加合理，发挥专利制度对刺梨产业创新资源的配置力，推动创新资源向刺梨产业发展的关键技术领域聚集，进一步提高创新资源的利用效率，以期为刺梨新品种的选育提供参考。

1 刺梨产业育种环节专利的现状

1.1 类型与法律状态

专利数据检索的时间为2020年8月24日以前公开的120个国家、地区和组织的刺梨相关专利数据，运用合享新创Incopat专利检索分析系统，经数据清洗删除杂质数据，获得刺梨产业相关专利3 101件，其中育种环节相关专利46件。从图1看出，在刺梨育种环节的46件相关专利中，发明专利有42件、实用新型专利有4件，其中有17件发明专利获得授权。从专利法律状态看，有效专利只有11件，处于审查中的发明专利有6件，因驳回、撤回和未缴纳年费而失效的专利有9件，缺少法律状态的专利有20件(均为美国专利)。可见，各国针对刺梨育种的专利中，无效专利占比大，有效专利占比小。专利在审查过程中的撤回、授权后停费和驳回及缺少法律状态等的占比较大，且发明专利占比较高。说明，刺梨产业育种环节专利布局尚不完善，技术成熟度不高，刺梨产业育种环节的发展处于起步阶段。

图1 刺梨产业育种相关专利的类型及法律状态

1.2 申请趋势

刺梨产业专利申请总量不大，近20年，每年的专利申请量都不多，从2012年开始每年超过100件，仅有2018年度专利申请量超过600件，刺梨的产业化是在最近10年内形成的。而育种属于刺梨产业的基础研究工作，技术难度大、研发周期长，专利的产生年度不规则，只有2007年和2018年2个年度专利申请量超过10件(图2)。因此，除考虑专利成果外，还应重点关注刺梨新品种的申请注册情况。

图2 刺梨产业育种相关专利的申请趋势

1.3 区域分布

分析专利申请的区域分布情况，可以了解区域的技术实力[4]。从全球看，各国刺梨相关专利申请量中，中国有2 811件，美国有72件，日本有45件，韩国有32件，其他国家都小于20件。国外专利以美国为主，均为刺梨品种培育，且为盆景或观赏品种。中国在专利数量上具有巨大优势，专利申请量和拥有量远大于其他国家和地区的总和。从图3看出，刺梨育种环节相关专利主要分布在中国、美国和德国，分别为25件、20件和1件。在中国的25件中，贵州、云南和重庆分别有21件、3件和1件。可见，刺梨育种环节的相关技术，国外以美国为主，国内以贵州为主。

图3 刺梨产业育种相关专利各区域分布

1.4 主要申请人

申请人是专利申请的主体，也是技术发展的主要推动力量。从表1看出，在育种领域，排第1位的是英国戴维奥斯汀园林(davidaustin roses ltd)，有11件相关专利申请，主要技术方向为刺梨景观品种；排第2位的是贵州省龙里县泽洋生态科技种养殖有限公司，有6件相关专利申请，主要技术方向为催芽育苗装置；其他申请人的专利申请量都在5件以下，主要技术方向分别为刺梨盆景品种、诱导无籽刺梨四倍体、高产抗旱品种、幼苗培育方法、育苗方法、石漠化枝条育苗和组培等。在专利申请人类型方面，企业所占比例远高于科研机构，刺梨的育种尚未引起科研机构的广泛关注，为品种培育与改良所做的工作尚少，需要加强相关方面的科研立项和基础研究工作。

表1 刺梨产业育种相关专利主要申请人排名及技术领域

1.5 技术主题

与育种相关的46件专利主要集中在品种培育、育苗和种子催芽等技术主题，其中，育种及催芽13件，育苗、基质及施肥9件，品种改良或新品种24件。英国戴维奥斯汀园林将刺梨培育为多种盆景品种，中国多家企业申请了育苗方法，西南林业大学采取多种方法诱导无籽刺梨四倍体产生，龙里县泽洋生态科技种养殖有限公司研发了多种育种催芽装置。目前，主要依赖的刺梨品种是传统的通过野生驯化的刺梨品种以及贵州省的“贵农5号”和“贵农7号”，各国针对刺梨品种培育所做的研发工作均较欠缺。

2 刺梨产业育种环节专利的主题演化及空位与机遇

专利数量大，相互间的复杂联系蕴含于半结构化的高维的知识单元关系之中，适于知识图谱及其多维尺度分析进行降维。多维尺度分析是用二维空间直观展示专利之间的关系，二维空间中，专利密集区中心点表示核心技术，距离则表示专利之间的亲疏程度，距离越近说明专利相似度越高[5-6]。科技领域中专利主题间的关系并非相互独立而是基于一定知识间关联紧密程度存在一定的知识结构，即专利热点社群。社群研究常采用网络科学的方法，主要是根据主题网络本身的拓扑结构划分群落，识别主题网络内部的各个主题社群。复杂网络社群发现，研究中应用最多的为基于模块度优化的Louvain算法，其是以层次聚类为核心、整体模块度最大为目标进行迭代优化的社群划分方法，对专利群落的演化过程进行由点到面的分析得出各规模专利热点知识的发展规律。

2.1 主题演化

主题演化分析旨在探寻技术在各阶段的发展热点，主题词云所处的年份是该概念形成一定规模的加权时间点即领域快速发展的热潮期，文本代表结合TRIZ理论与IPC分类编号得出的领域主题技术功效关键词，大小则代表了该主题从出现到最新时间所累积的研究热度，关键词越大表明该主题是研究核心。从刺梨产业育种环节专利申请趋势看，2015-2018年，刺梨产业育种环节专利研究的技术主题概念产生数量上升尤为明显。2007年以前品种培育占研究主题的绝大部分，2012-2015年围绕育种技术相关的研究较为集中，其中成本降低、复杂性降低、收益提高和经济性提高为核心主题。2018年为研究爆发期，品种培育相关研究再一次快速发展，育苗研究则更偏向于装置工具的研发，如结构简单、提高保水能力、便利性提高等主题占据主流。育种相关的46件专利主要集中在品种培育、育苗方法、育种育苗装置等技术主题，美国在这一领域的研究起步较早，2007年已有较多成果，中国育种研究于2018年达高峰，整体研究成果在该时期已逐渐追上美国。从技术热点主题演变看，当前品种培育、育苗的研究占据较大比重。品种培育研究集中于无籽刺梨品种研究，2016年西南林业大学采取多种方法诱导无籽刺梨四倍体产生，高产无籽刺梨与绿化属性为主的盆栽灌木正逐渐成为育种繁殖研究核心。育苗研究集中于装置工具的研发，龙里县泽洋生态科技种养殖有限公司研发了多种育种催芽装置，提升了刺梨产业化种植的效率。

2.2 核心专利与核心主题分布

专利共词网络中，将刺梨产业育种相关专利按申请日期进行编号(P1、P2、P3…Pn)，气泡的大小代表专利TRIZ技术功效关键词在不同专利中共同出现的次数，气泡越大其间的关系强度越大。词之间的语义关联可通过社区结构划分实现，一个社区即是一个主题，不同颜色代表不同的社区主题。对专利进行网络可视化展示，由于专利数据较多，为更好地观察到核心专利，设置边的阈值为t，当专利的距离大于t时，对应的边和孤立的节点不显示在网络图中，最终形成刺梨产业育种环节专利网络和刺梨产业育种环节核心专利和核心主题分布(表2)。育种环节专利网络的核心主题为刺梨的品种培育，围绕该主题社群衍生出三大方向。

1) 刺梨品种培育。品种培育研究集中于主题社区3类。具备无籽、高产属性的刺梨品种将成为行业新宠，专利CN201610440273.7与CN201610440593.2均为西南林业大学采取浸泡法和混培法诱导无籽刺梨四倍体产生，同时增加了果径和可食用部分，提高了刺梨的食用价值。专利US16350688、US16350689、US16350690均为THE CONARD PYLE COMPANY研制的Zlepol系列刺梨品种，该品种能够常年连续并大量形成具有欣赏价值双白色花朵，绿色光泽的植物叶径与美丽的花朵对比，新品种非常适合在景观中提供有吸引力的装饰价值。

表2 刺梨产业育种环节核心专利和核心主题分布

2) 刺梨育苗方法。刺梨的育苗研究相对成熟，主要集中于主题社区4类。研究的核心主题是通过改善刺梨培养土质或离体培养方法降低育苗成本，提升幼苗成长速度与生根率。专利CN201810518267.8和CN201710373485.2涉及到刺梨专用育苗土壤的制备方法，用于刺梨扦插育苗肥效好，可缩短育苗周期，提升育苗质量，便于刺梨种植的推广和发展。专利CN201510184276.4设计一种刺梨离体枝条育苗方法及在石漠化治理中的应用，不仅可产生明显的经济效益，同时还具有水土保持、植被恢复等良好的生态效益，应用于石漠化治理具有明显的效果。

3) 育苗育种装置。刺梨育苗装置能够有效提高刺梨种子发芽率和幼苗种植存活率，降低刺梨培育复杂性，主要集中于主题社区1类和社区2类。专利CN201810493758.1、CN201810494421.2、CN201820763103.7、CN201820763104.1均为贵州省龙里县泽洋生态科技种养殖有限公司研发的刺梨育苗育种装置，从避免刺梨种子干燥受损或过潮霉变到提升发芽率再到控制育苗密度减少幼苗间病虫害传播，提升定植育苗规模，完成了播种繁殖相关装置的系列研发，为刺梨工业化育苗打下了基础，育苗装置的相关研究也正在不断出现新的研究热点，利用育苗装置提升保水能力减少养分流失率成为主要研究方向。

2.3 专利空位与机遇

在经多维尺度分析降至二维的专利地图上，实现对专利欧式距离矩阵数据的降维处理，计算所有专利之间的相似度(图4)，实线圈为专利空位，是被已有的专利围绕而成的圈内尚未出现专利的区域，代表尚未出现的技术，该技术是由围绕此圈上的专利集定义并融合而成。专利空位的填补将是必然发展趋势，而尚未填补的专利空位可能成为技术机遇，组成专利空位的远离专利热点区域的点为异常专利，蕴含着未来的技术热点。由于异常空位专利可能与基本研究专利存在较远距离而形成孤立研究点，因此梳理专利空位对应的异常专利技术功效TRIZ参数文本能得到大量的新信息，可能预示着未来的发展趋势，其对应的技术主题有催芽育苗装置、育苗育种方法和品种培育(表3)。

图4 刺梨产业育种环节专利的空位分布

表3 刺梨产业育种环节空位异常专利及主要信息

1) 空位1，异常专利有P35、P36和P38。P35公开了一种刺梨种植用的育种催芽装置，降低系统复杂性，精准满足刺梨种子催芽要求，促进发芽提升播种繁殖成功率。专利P38公开了一种刺梨种植用的育种培育装置，使用方便灵活，汲水保水能力强，能满足喀斯特石漠化地区刺梨幼苗种植要求。专利P38公开了一种刺梨种植用的幼苗育苗装置，操作简单，提升了幼苗成功率。综合看，以上3个专利解决的问题是催芽育苗装置，从降低育苗育种系统复杂性、优化流程、精准设置等方面提升刺梨发芽率与幼苗存活率，这是未来刺梨产业规模化发展的趋势之一。

2) 空位2，异常专利P15、P29、P40和P42。专利P15提出一种刺梨的育种方法，属刺梨的育种领域，其能有效地解决刺梨育种较为困难的缺点。专利P29公开了一种用于金刺梨育苗的复合肥，通过优化复合肥配方，显著提高金刺梨的生根率及不定根长。专利P40公开了一种刺梨育苗用的培养土壤，以天然产物、废弃物做原料，实现资源回收利用，增强了环保效益，同时保持较低成本。P42公开了一种刺梨种苗的培育方法，在刺梨种苗培育时，提高种子发芽率。上述专利都是从方法层面减少育苗育种的难度，避免损失，增加经济效益和生态效益。

3) 空位3，异常专利P10、P13、P24和P26。专利P10公开了一种名为“Ausmercent”的观赏性刺梨品种，该品种能够重复开花，带有粉色花朵与浓烈茶香，具有较高的观赏性价值。专利P13公开了一种刺梨新品种“BenChaska”，其特点是果实产量高，生长直立紧凑，坐果率高，抗白松疱锈病，适合机械收割，并能生产较大的植株，较小的浆果，具有更高的经济价值。专利P24公开了刺梨品种“AUSoutrcry”，该品种有粉红色的花蕾，开满花瓣，弯曲，杯状，有强烈的药香味，适合作为花卉盆栽进行观赏摆放。专利P26公开了通过浸泡法与诱导无籽刺梨四倍体产生的方法，获得了四倍体无籽刺梨新种质，可增加无籽刺梨果实的VC、VE和SOD等营养成分，同时使其果径和可食用部分增多。空位3的主题是各种功能性刺梨品种培育，国内更倾向培育具有食用价值的无籽刺梨品种，以美国为主的专利国则更多地着眼于开发具有观赏性价值的刺梨品种，说明我国刺梨品种的研发存在2个问题：一是刺梨的盆栽花卉价值仍未完全开发；二是缺乏对于能够适应区域化和机械化育收的刺梨品种的研发。这将成为我国刺梨育种技术的重点研发趋势，也是我国刺梨产业走向国际市场的必经之路。

3 刺梨产业育种环节的技术发展趋势

3.1 技术发展趋势

基于刺梨产业育种环节专利量化分析、专利网络分析及专利地图分析，结合其领域的技术主题演化，进一步总结刺梨育种技术发展趋势(图5)。早期以美国在刺梨盆栽的观赏类品种研究为主，重点体现了刺梨的装饰性价值。自2012年开始刺梨产业进入爆发期，刺梨果实的食用价值和加工产品的商品价值相继被开发出来，针对刺梨品种研究向果径更高、食用提高等方向发展。随着刺梨产品价值的深入开发，对于刺梨规模化种植的需求日渐迫切，育种育苗研究分为2个方向：育苗方法上，利用了简化操作流程法则，提高生产率和增强实用性、通用性，早期的育苗方法简化流程、避免不当操作，后期从肥料、土壤等方面改善种植环境，提高了果实产量，完成了高效育苗；育苗装置方面，利用了降低系统复杂性法则、提可靠性与精确度法则，相关装置从升催芽、幼苗、育苗等多方面保证了育种的精确化管理，减少营养物质流失，提高发芽率与育苗成功率。

图5 刺梨产业育种环节技术发展趋势

3.2 趋势预测

3.2.1 多元化及区域化育种 虽然贵州省审定的刺梨品种有4个贵农1号、贵农2号、贵农5号和贵农7号。目前，生产上的主栽品种结构单一，超过90%的是贵农5号，还有少量的贵农7号。前期采穗圃建设及育苗技术的不规范，导致贵农5号在多地呈退化趋势。一方面，单一的品种结构无法满足目前和将来对高端、多样及专项产品的开发需求；另一方面，刺梨果成熟时间主要集中在9-10月，企业加工压力大。随着加工产业的不断发展，多元化及区域化育种是刺梨产业育种环节未来的研发趋势。 1) 加大对现有品种提纯复壮的科技投入；2) 加强对新优品种的选育，围绕早、中、晚熟品种和适宜高、中、低海拔种植品种，以及适于鲜食、榨汁和酿酒等品种，通过传统育种手段如杂交育种、诱变育种以及现代生物技术手段开展优势资源的选育，筛选出活性物质含量、出汁率、产率更高和抗性更强的新品种，在生产上推广和应用；3) 加强地方种质资源保护与优良品种开发利用[6]，鼓励支持科研院校开展种质资源搜集、保护、鉴定，建立核心种质资源库和遗传改良技术平台；4) 借鉴国外发展经验，积极培育和引进绿化、观赏性盆栽刺梨品种。

3.2.2 方便高效的育苗催芽装置 随着刺梨食用、药用价值的开发，出现了快速育苗、扦插育苗、育种催芽、育苗装置、催芽装置等，对于育种的便利性、产苗量、成功率要求越来越高。育种向适应工业化生产、方便高效育苗催芽装置的研究方向发展。加强催芽育苗装置的研发，将物联网系统引入到幼苗繁育的过程中，实现刺梨幼苗生长环境、状态的实时精准监测，减少人力劳动成本，提升发芽率，利用电子设备和科学规范的育苗方法减少损失，强化成本管理。从降低育苗育种系统复杂性、优化流程、精准设置等方面提升刺梨发芽率与幼苗存活率，从方法层面减少育苗育种的流程难度，避免损失，提高经济效益和生态效益。

3.2.3 专利技术的学习与借鉴 刺梨品种培育方面主要有英国戴维奥斯汀园林(David austin roses ltd)、美国康纳德派尔(The conard pyle company)、詹姆斯·赫顿研究所(James hutton institute)等在美国申请的将刺梨培育成景观植物的专利；刺梨催芽育苗装置方面主要有贵州省龙里县泽洋生态科技种养殖有限公司申请的中国专利；诱导无籽刺梨四倍体主要有西南林业大学申请的中国专利；刺梨石漠化枝条育苗方面主要有贵州师范大学申请的中国专利；刺梨的幼苗培育方法方面主要有普定县持恒林业科技发展有限公司和贵州兴黔伟业生态科技开发有限公司申请的中国专利；刺梨高产、抗病品种改良在专利文献的角度目前尚无成熟的技术可以借鉴和参考，应进一步查询植物新品种的申请注册情况，重点鼓励省内科研机构加强对刺梨果树的机理研究、培育和改良品种品质。