全球小麦遗传育种专利技术分析与研究进展

孟 静，唐 研

（山东省农业科学院农业信息与经济研究所，济南 250100）

1 引言

小麦是世界上三大粮食作物之一，也是全球栽培范围最广的作物，年产量超6.2 亿吨，是世界上35%以上人口的口粮，它的持续增产增效，关系全球粮食安全。中国既是农业生产大国，也是粮食消费大国，作为中国重要的商品粮和战备储粮，小麦产量和消费量均位居世界首位[1]。迫于环境因素制约、收储方式不精、耕地面积持续减少等压力，对于中国这样一个拥有14 亿多人口的大国而言，未来粮食供求的结构性矛盾仍将存在，培育优质高产小麦就成为守好粮食安全底线的重要举措。小麦种质资源的搜集、整理、筛选与系统选育，使小麦产量初步结束了低产的历史；杂交技术在小麦育种中广泛应用，使小麦育种跨入中高产阶段；数量遗传学的应用，遗传种质的重组与创新，育种学、生理学和栽培学的密切结合、相互渗透，创造了高产育种的新局面[2]。

小麦遗传育种就是应用遗传学的理论和方法来为小麦育种服务，通过改造小麦的遗传性创造、改良新品种，主要的育种方法有杂交育种、人工诱变育种、单倍体育种以及多倍体育种等。当前，全球小麦遗传育种已取得丰硕的研究成果。HU 等通过近等基因系对特定位点扩增片段测序鉴定，发现位于7A 染色体上的TATGW-7A 对于提高小麦千粒质量有重要的作用[3]；DAKOURI 等分析小麦种苗期和成株期叶锈病抗性特征，发现Lr34 是小麦成株期最重要的抗叶锈病基因[4]；ALLEN 等对5 种六倍体面包小麦群体进行单核苷酸多态性 （SNP） 位点筛选，发现了225 001 个用于构建遗传图谱的SNP 标记[5]；王珊珊等对11 个经过航天诱变的小麦品系和1 个未经过航天诱变的小麦品种 （对照）进行了主要农艺性状和产量差异性分析，得到了适宜推广种植的新品系[6]；杨雪峰等对wx 基因缺失效应在强筋小麦品质改良中的利用进行了研究，为面包面条兼用型强筋小麦育种提供理论依据[7]；翟胜男等利用TILLING 技术筛选EMS 诱变群体，对类胡萝卜素、ε-番茄红素环化酶（LCYE） 的功能及遗传调控机制进行研究，验证了LCYE 的基因功能[8]。综合来看，小麦抗病抗逆和高品质品种选育、基因图谱研究与应用、生物技术在育种中的应用等是国内外学者的共同关注的研究课题。

在小麦遗传育种技术不断发展的过程中，形成了大量的专利成果数据，这些专利集技术、法律和经济信息于一体，数量大、内容覆盖面广，作为应用成果转化的重要载体，具有很强的科技情报价值，在推进农业技术持续创新、促进农村经济发展中发挥着举足轻重的作用。本文利用专利分析方法与规范化的数据分析手段，从申请总量及趋势、国家/地区分布、技术布局与专利价值等方面分析了小麦遗传育种技术的发展态势、研发热点等，以期为未来育种研究的开展提供客观、科学、有效的情报理论支撑。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文研究数据来源于智慧芽信息科技有限公司（PatSnap） 的全球专利数据库。智慧芽全球专利数据库建立于2007 年，收录覆盖116 个国家和地区的专利数据超1.3 亿条，并提供精准、多维、可视的专利及研发情报[9]，采用智慧芽Insights 英策专利分析系统作为专利分析与价值评估的工具。

2.2 研究方法

据世界知识产权组织 （WIPO） 有关统计表明，全球每年90%～95%的发明创造成果都可以在专利文献中查到，专利作为发明创造，其本身包含着技术创新价值，依靠专利数据的精准分析可以更好的把握技术动态、了解技术布局与竞争力。

专利分析法就是对有关的专利文献进行筛选、统计和分析，使之转化成可利用信息的方法，分定量分析与定性分析两种。定量分析即对专利文献的外部特征 （专利文献的各种著录项目） 按照一定的指标 （如专利数量） 进行统计，并对有关的数据进行解释和分析，以取得动态发展趋势方面的情报；定性分析是以专利的内容为对象，按技术特征归并专利文献，使之有序化的分析过程，一般用来获得技术动向、特定权利状况等方面的情报[10]。本文运用定量和定性相结合的分析方法，综合考察多种分析指标，充分挖掘技术创新价值，以期达到良好的分析效果。

3 专利概况与指标分析

在智慧芽全球专利数据库中使用高级检索，选择标题和摘要字段，设置检索式为：((wheat* OR Triticum aestivum* OR Aegilops tauschii*) AND (gene*OR DNA OR RNA OR SSR OR SNP OR GWAS OR molecul* mark* OR translocation line OR nucleotide)AND (breed* OR cultivat* OR hybridizat*)) OR ((小麦OR 山羊草)and(遗传OR 分子标记OR 染色体OR 基因OR 易位系OR 核苷酸) AND (育种OR 培育OR 选育OR 杂交))，检索时间为2022 年4 月26 日。经数据清洗后，共得到4 914 项专利，99.5%的专利为发明专利，0.5%的专利为实用新型专利。其中，有效专利占31.13%，审查中专利占19.59%，失效专利占40.89%。由于专利自申请到公开存在1 年半到3 年的滞后期[11]，2020—2022 年之间的专利数量无法完全代表这3 年的申请量，因此，趋势分析时间段截止到2019 年。

3.1 专利申请趋势

某一领域专利技术的生命周期大体可分为萌芽期、成长期、成熟期和饱和期[12]。全球小麦遗传育种技术相关的最早一件专利申请见于1977 年，是由定谊科技股份有限公司申请的 “Hybrid wheat” （申请号US05/833444），该专利介绍了利用含有至少一个特定核基因的异质小麦种子和与特定核基因或基因相互作用，保持植物可育的细胞质，用诱变剂处理，以获得具有突变核基因的胚胎种子。随着全球小麦遗传育种技术的发展，专利的申请和技术布局由此开始。专利申请趋势如图1 所示。

图1 全球/中国小麦遗传育种技术专利申请趋势 （1977—2019 年）Fig.1 The annual distribution of wheat genetics and breeding technology patents applications from 1977 to 2019

从全球小麦遗传育种技术专利申请趋势来看，1977—1997 年专利申请数量较少且增长缓慢，处于技术萌芽期；1998—2009 年，申请数量开始有所增长，进入成长期；2010 年以后，受市场对小麦遗传育种技术需求增长的驱动，专利申请数量大幅提升，并在2017 年达到申请量峰值，逐步向成熟期过度。专利申请整体趋势虽存在波动，但总体呈现上扬态势。随着21 世纪以来生物技术与基因工程的快速兴起，小麦遗传育种技术的研究逐步走向成熟，此期间蛋白标记、DNA 分子标记、诱变育种、杂交育种和转基因等技术开始广泛应用，小麦遗传育种技术研发体系日渐完善。

中国小麦遗传育种技术专利申请始于1988 年，2003 年开始申请量出现小规模增长，直到2008 年，随着国家 “转基因生物新品种培育科技重大专项” 的启动实施，作物遗传、基因编辑技术得以快速发展，专利申请量开始大幅提升。虽然中国的专利申请起步晚于全球技术发端10 余年，但在2008 年之后，中国的专利申请量增长趋势与全球水平趋于一致，并成为全球最大的专利申请国。

3.2 专利国家/地区分布情况

3.2.1 专利来源国/地区分析

专利的主要来源国家/地区，可以显示该国家/地区的技术创新能力和活跃程度，选择公开日最新的文本进行统计 （图2），小麦遗传育种技术专利申请数量排名前5 位的国家/地区依次是中国、美国、欧洲、澳大利亚和日本。其中，中国为小麦遗传育种技术专利的主要来源国，专利数量为1 727 项，占全部专利的50.81%。美国专利数量为1 076 项，占比31.66%。其他国家的专利数量均较低。

图2 全球小麦遗传育种技术专利主要来源国家/地区Fig.2 Main countries and regions of global wheat genetic and breeding technology patents

3.2.2 专利受理国家/地区分析

国家/地区的专利受理情况，可以反映出该技术主要布局在哪些国家/地区以及目标市场的受关注程度，选择公开日最新的文本统计 （图3），小麦遗传育种技术专利受理数量排名前5 位的国家/地区依次是中国、美国、世界知识产权组织、加拿大和澳大利亚。其中，中国受理专利1 716 项，占比50.49%，是全球最受重视的目标市场。

图3 全球小麦遗传育种技术专利主要受理国家/地区Fig.3 Global wheat genetic and breeding technology patents accepted by countries and regions

3.2.3 五局流向分析

分析中、美、欧、日、韩五大局的技术发源和市场布局情况，选择公开日最新的文本统计 （图4），根据专利技术来源与技术布局之间的关系来看，中国既是最大的技术来源国，又是最受重视的技术布局市场。受限于市场竞争意识薄弱、产业转移转化应用能力的滞后，中国持有技术向他国流向的趋势较弱，全球技术市场还留有很大的布局空间。相比之下，美国和日本的全球技术市场布局更加全面。

3.3 专利申请人分布情况

申请人专利申请量排名可以反映技术领域的活跃机构，并体现技术的集中度。对申请人拥有的专利总量进行统计 （图5），全球小麦遗传育种技术排名前10位的专利申请人依次是先锋国际良种公司、中国农业科学院作物科学研究所、孟山都科技公司、联邦科学和工业研究组织、中国科学院遗传与发育生物学研究所、四川农业大学、巴斯夫欧洲公司、南京农业大学、山东农业大学和山东省农业科学院作物研究所。由此可见，国内外的技术研发主体存在较大差异，排名前10 位的专利申请人中，国内高校和科研机构占据6 席，是该技术领域的研发活跃机构；国外的技术主体则以大型跨国公司为主，市场驱动力和技术布局能力明显更具优势。

图5 全球小麦遗传育种技术主要申请人Fig.5 Main applicants of global wheat genetics and breeding technology

4 专利技术主题分析

4.1 技术构成分析

通过IPC （国际专利分类号） 分类统计，分析小麦遗传育种技术研究中重点领域构成的小类分布及主要技术分支的占比情况 （表1）。全球小麦遗传育种专利的主要技术构成有C12N15 突变或遗传工程 （占比33.8%）、A01H5 被子植物 （占比23.07%）、C12Q1 酶与核酸或微生物的测定与检验方法 （占比17.59%）、A01H1 改良基因型的方法以及C07K14 氨基酸肽 （占比9.29%） 等。结合专利受理国家/地区分布可以看出，C12N15 和C12Q1 领域在中国市场的布局较广，这两个领域主要涉及基因工程修饰和核酸测定与检验方法，是遗传育种技术的关键，C12N15 领域在美国、加拿大、世界知识产权组织和澳大利亚的市场布局中同样具有占据优势地位，由此可见基因工程修饰是各大技术布局的核心。

表1 全球小麦遗传育种专利主要技术构成与受理国家/地区分布Table 1 Main technical distribution and accepted countries and regions of wheat genetics and breeding technology patents

中国小麦遗传育种技术专利的主要技术构成为C12N15、C12Q1、A01H5、A01H1 和C07K14，集中在植物基因工程与遗传育种、植物种植资源与改良、品质改良基因的检测与表达等方面，与全球技术构成基本一致，只是技术侧重点略有不同，这也说明了中国在该技术领域的市场已与全球技术战略接轨。

4.2 热点技术主题聚类

利用关键词提取算法对专利进行文本挖掘和主题聚类，构建具有层级关系的热门技术词旭日图（图6）。通过旭日图可以看出，全球小麦遗传育种专利的技术热词主要有抗性基因、组织培养、组合物、核酸分子、谷蛋白、转基因、条锈病、咪唑啉酮、生物技术及分子标记。对技术热词进行层级拆分，可以看出抗病性基因的研究、耐除草剂和杀虫剂研究、分子标记辅助育种研究、转基因小麦研究、小麦DNA 序列研究、小麦籽粒营养元素优化研究是全球小麦遗传育种技术专利申请中的热点技术主题，中国专利的热点技术主题与全球基本一致。

图6 全球小麦遗传育种技术热词旭日图Fig.6 Global hot words map of wheat genetics and Breeding technology

5 专利市场价值分析

专利价值评估方法包括市场基准的专利价值评估方法和非市场基准的专利价值评估方法[13]。智慧芽专利价值计算模型遵循QS9000 质量标准——FMEA（Failure Mode and Effect Analysis，实效模式与影响分析） 管理模式[14]，运用市场法和机器学习模型，整合专利价值相关的80 多个指标 （包括引用、专利国家规模、专利存活期、法律状态等），结合历史上的专利成交案例等进行调整，最终得出专利价值的评估数值。

专利价值评估结果显示，全球小麦遗传育种技术专利总价值为135 558 600 美元，有专利价值的简单同族专利数量为1 373 组。按每组简单同族一个专利代表的去重规则进行统计，并选择同族中有专利价值的任意一件专利。市场价值前10 位的专利如表2 所示。在全球小麦遗传育种技术领域，市场价值前10 位的专利中有6 项的专利权人位于美国、2 项位于日本、2 项位于欧洲，还有1 项位于澳大利亚。全球各国家/地区专利价值分布不均衡，高价值专利主要集中在欧美发达国家，专利权人主体以国外大型跨国公司为主。

表2 全球小麦遗传育种技术市场价值前10 位的专利Table 2 Top 10 patents of global wheat genetics and breeding technology market value

中国小麦遗传育种技术专利总价值为37 643 700美元，有专利价值的简单同族专利数量为895 组，数量占全球总量的65.16%，价值却仅占27.77%，这也说明中国的技术研发虽势头强劲，但专利活跃度低，技术转化与应用较为谨慎，导致了专利价值无法得到充分实现。另外，国内高价值专利的专利权人大多数为高校和科研机构，在产业驱动力上与跨国公司相比还相差很远。

高价值专利的技术主题主要涉及：利用重组DNA技术，使用载体引入外来遗传物质，改良转基因植物的性能，制备富含抗性淀粉的小麦新品种；检测植物个体基因突变/野生型等位基因的方法，使用聚合酶链式反应扩增、包含等位基因特异性和基因特异性引物的新组合物进行检测；高效率进行小麦属植物转化的基因导入方法和转化植物的制作方法；利用基因改良，研发除草剂、杀虫剂耐性强的小麦品种；多核苷酸的表达调节植物的雄性育性，利用小麦MS45 启动子序列，连接雄性育性多核苷酸或其片段或变体等。

6 讨论

从专利申请趋势看，全球小麦遗传育种技术研究正在迈向成熟阶段，中国的专利申请量增长趋势与全球水平基本一致，专利技术构成与世界接轨，由此可见小麦遗传育种技术在中国农业领域拥有着举足轻重的地位。从专利申请人分布看，国外大型跨国公司是该技术领域的活跃机构，国内申请人则以高校和科研机构为主，面向国际市场的技术布局不足。从专利技术主题方面看，主要技术构成包括植物基因工程与遗传育种、植物种植资源与改良、品质改良基因的检测与表达等，热点技术主题有抗病性基因的研究、耐除草剂和杀虫剂研究、分子标记辅助育种研究、转基因小麦研究等，中国的技术研究领域已接轨全球技术高点。从专利市场价值角度，全球高价值专利主要集中在大型跨国公司手中，中国的高价值专利较少，有待进一步深耕。

6.1 全球小麦遗传育种技术研究将持续推进

为抵御全球气候变化与耕地锐减而导致粮食减产的风险，提高主要粮食作物小麦的产量，将一直是提升全球粮食安全的不懈追求。在高投入的生产系统中，遗传育种技术的应用大大提高了小麦产量，新品种逐渐积累的遗传变异对关键产量参数、抗病性、养分利用效率、光合效率和籽粒质量都有着积极影响[15]。随着全球作物育种技术的不断发展，继第一代传统杂交育种、第二代分子标记育种之后，育种家们的 “一条腿” 已跨入了第三代育种时代——基因组育种[16]。利用基因组辅助育种技术，对遗传结构进行评价，通过全基因组预测，标记辅助选择与籽粒产量和品质相关的表型指征和遗传变异，可发掘更广泛的性状改良的潜力[17]。从专利申请趋势角度，全球小麦遗传育种技术专利还未达到饱和期，技术研究将持续推进。

专利的本质是对新技术的保护，更是专利成果应用推广的催化剂，世界各国都在通过提升专利技术储备力争在国际竞争中占据优势地位。先锋国际良种公司、孟山都公司和巴斯夫公司等全球知名的大型跨国公司优先对小麦遗传育种技术进行了全球性的专利布局，通过并购形成稳定的专利阵营，其他技术雄厚的科研院所和新兴公司的加入，让全球小麦遗传育种技术研发迸发出新的生命力，专利申请向高质量高价值转变，全球化的竞争逐渐走向多元化。

6.2 中国小麦遗传育种技术专利申请前景展望

在近年中国专利申请量持续快速增长并成为世界第一专利申请目标国的背景下[18]，中国专利申请已进入前所未有的机遇期。随着中国小麦遗传育种技术研究水平迈入国际一流行列，专利申请也呈现蓬勃发展的势头，不管是申请数量还是技术布局都取得了一定的国际影响力。与此同时，中国小麦遗传育种技术专利的申请也面临着一系列的挑战：首先专利质量与国际水平还存在一定差距，专利成果的转化率低，制约了专利价值的增值；其次专利技术输出能力不足，专利的全球性布局视野较窄，自主知识产权保护意识有待提升；最后专利的市场化和产业化驱动力较为薄弱，技术创新的资源优势未能得到充分发挥。

高水平的科研团队是技术研发和专利申请的保障，中国小麦遗传育种技术专利申请主体与国外研发主体差异度大，高校和科研院所研发实力强，而成果转化能力弱，亟需新兴农业科技企业的进入来激活市场的应用潜力。因此，提高专利的质量和价值，加大企业参与研发力度、增强科研成果应用转化能力将是下一步重点完善的方向。同时，中国专利技术布局应打破地域局限，主动参与到全球化的技术竞争中去，延伸拓展专利技术的全球布局，积极推动小麦遗传育种技术走出去，不断推进国际产业化进程，让中国小麦遗传育种技术的研发与专利申请走在世界的前列。