基于全球蔬菜分子育种专利的信息分析及技术展望

2022-10-01刘哲源康宇立唐巧玲王友华

中国蔬菜 2022年9期

刘哲源康宇立唐巧玲李蕾王友华*

（1 中国农业科学院生物技术研究所，北京 100081；2 甘肃农业大学，甘肃兰州 730070；3 中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

国家统计局数据显示，中国2021 年蔬菜种植面积约为0.21 亿hm（3.2 亿亩），是重要的经济作物类别之一。分子育种是利用分子生物学技术在分子水平上对种质进行改良的育种方式，与传统的蔬菜育种方式相比，分子育种可以大大缩短育种年限，打破生殖隔离，与育种目标的契合度更高，从而快速、定向、稳定地培育出优质丰产、多抗广适的蔬菜新品种（赵静娟等，2015）。近年来，科学技术的不断进步使得蔬菜分子育种技术也取得了长足发展。1994 年世界上第1 例转基因番茄问世（马文静等，2010），2004 年才出现了第2 例转基因蔬菜—辣椒。1997 年，通过标记调节成熟番茄葡萄糖与果糖比例的基因，使得分子标记进入人们的视野。2001 年，Meuwissen 等（2001）提出全基因组选择（genomic selection，GS）概念。2009 年，第1 例蔬菜—黄瓜测序完成（张圣平和顾兴芳，2020），随后又对马铃薯、白菜等进行全基因组测序（谢玲娟等，2021）。基因编辑技术的诞生，使分子育种进入了新纪元，目前CRISPR/Cas9 系统的基因定点敲除技术在黄瓜、番茄、甜橙以及大豆中的应用取得了一定的研究进展（姚祝平等，2017）。本文通过对2002—2021 年全球蔬菜分子育种专利进行系统分析，挖掘分子育种技术发展的趋势和热点，以期为相关科研工作者提供参考。

1 数据来源与分析方法

全球蔬菜分子育种领域专利数据来源于商业数据库智慧芽数据库（PatSnap），时间跨度为2001—2021 年，数据采集的专利申请日截至2021 年12月31 日，选取中国蔬菜种植产量较高的辣椒、番茄、马铃薯、甘蓝、白菜、黄瓜、甜椒、菜豆为对象，以标题和摘要作为检索重点，检索式为TA_ALL：（分子育种OR 转基因OR 分子标记辅助OR 基因编辑OR molecular breeding OR molecular marker OR transgenosis OR gene editing）AND（蔬菜OR 辣椒OR vegetable OR pepper OR 番茄OR tomato OR 马铃薯OR potato OR 甘蓝OR wild cabbage OR 白菜OR Chinese cabbage OR 黄瓜OR cucumber OR 甜椒OR 菜豆OR kidney bean OR phaseolus vulgaris OR pea bean OR French bean），主题选取包括：申请年份、IPC 分类、国家地区分类等。由于全球不同国家（地区）对植物新品种的专利保护法规不同，为在分析全球专利技术时体现一致性，本文对植物新品种专利进行了排除。由于一般专利自申请到专利公开存在18 个月至3 年的滞后期，2019—2021 年数据仅供参考。使用Microsoft Excel 软件对专利数据进行统计分析。

2 分析结果

2.1 全球蔬菜分子育种专利申请情况

在智慧芽数据库中共检索出6 463 项专利，以每件申请的1 个公开文本作为单个技术组，共4 745组，经人工筛选，排除含水稻、玉米等非蔬菜类专利，符合条件的专利申请量为1 236 项、813 组。

2.2 全球蔬菜分子育种专利的发展趋势分析

鉴于2002 年以前目标专利申请量不足20 项，本文以2002 年为起始年份进行分析。由图1 可知，20 年来全球蔬菜分子育种专利申请量整体呈上升趋势，大致经历4 个阶段：2002—2009 年属于起步阶段，专利申请量每年均不超过15 项；2010—2015 年属于稳步上升阶段；2016—2019 年为指数型增长阶段；2019—2021 年为螺旋式增长阶段，专利申请量起伏不定，但总体呈上升趋势，其中2021 年最多，达212 项，这主要归结于基因编辑等新技术的出现，以及高通量基因测序技术的广泛应用，为蔬菜分子育种工作奠定了坚实的基础。

图1 2002—2021 年全球蔬菜分子育种专利申请量

2.3 全球蔬菜分子育种专利重点技术领域分析

蔬菜分子育种研究的技术构成可主要概括为分子标记技术、转基因技术、全基因组选择技术、基因编辑技术和其他相关技术5 大类。采用国际专利分类方法（IPC）进行分类统计，通过分析IPC 号代表的技术类型的专利申请情况，了解蔬菜分子育种领域各个技术类型的分布及发展趋势。

根据2002—2021 年全球蔬菜分子育种IPC 大组专利申请量统计结果（表1），类别C12N15 和C12Q1 分别位于第1 和第2 位，说明这两个类别是蔬菜分子育种领域的主体。从IPC 分布可以看出，目前基因工程、新品种选育以及种质资源开发仍是蔬菜分子育种研究领域的重点，但是重点方向已经开始转向基因编辑育种以及分子设计育种。

表1 2002—2021 年全球蔬菜分子育种专利申请量居前的9 个IPC 分类小组

对2002—2021 年IPC 分类重点领域的专利申请量进行统计分析（图2），C12N15 和C12Q1 两个类别在蔬菜分子育种领域中发展最快，2011 年开始申请量远远超过其他类别，充分说明在蔬菜分子育种领域研发集中于外源基因的改良以及分子标记对品种的改良，而且创新的可持续性仍然强劲。

从图2 还可以看出，C12Q1 类别的专利申请量在2019 年前呈增长态势，但在2019 年大幅降低，这是由于中国农业科学院、北京市农林科学院、上海交通大学以及南京农业大学一直是该领域的科研主力，但在2019 年只有中国农业科学院申请了26项专利，北京市农林科学院申请了1 项专利，其他科研主力机构没有进行专利布局，使得2019 年在C12Q1 类别的专利申请量呈下降趋势。

图2 蔬菜分子育种专利IPC 分类重点领域申请量

2.4 全球蔬菜分子育种专利主要受理及申请国家（地区）分析

由图3 可知，蔬菜分子育种专利受理量居前3位的国家依次是中国、韩国、美国，这3 个国家受理的专利量占总申请量的92.4%。其中绝大多数来源于中国，中华人民共和国国家知识产权局的专利受理量高达988 项，占总申请量的79.9%；韩国专利受理量为107 项，占总申请量的8.7%。中国作为重要的技术输入地，在蔬菜领域国际布局相对较少，在中国受理的蔬菜专利中，国外专利仅有17项，占比为1.72%，分别来自孟都山公司、先正达集团股份有限公司以及塞米尼斯蔬菜种子有限公司。美国专利局授权的专利中仅有2 项来自中国，占比为4.25%，分别属于宁夏泰金种业股份有限公司和天津科润农业科技股份有限公司。中国和韩国是蔬菜分子育种领域的专利申请大国，从产业发展角度来看，中国在蔬菜分子育种研究方面的重视程度更高，在专利战略方面也做了更有效的布局。

图3 蔬菜分子育种专利主要国家（地区）受理量与申请量

不同国家（地区）蔬菜分子育种技术专利申请量可以体现该国的研发能力。从图3 中可以看出，中国专利申请量为982 项，占全球总申请量的79.4%，位居全球第一；韩国为108 项，占比为8.7%，排名第二；美国为90 项，排名第三。

对照各国家（地区）的专利受理情况，美国相关机构提交的全球专利申请总量比本国受理量高43 项；欧洲国家的合计申请量为53 项，较受理量高28 项，说明以上国家（地区）为技术输出国家。而中国的专利申请量为982 项，比本国受理量低6项，说明中国受理的专利有一小部分来自于国外机构，为专利技术的输入国。

2.5 全球蔬菜分子育种专利技术分类

在蔬菜分子育种专利技术中，分子标记辅助育种技术的专利最多，有992 项，占专利申请总量的80.3%；其次是转基因技术和基因编辑技术，分别为100 项和75 项；全基因组选择技术最少，为28项（图4）。

图4 不同技术在蔬菜分子育种专利的申请情况

转基因技术是最先发展起来的技术，抗草甘膦的基因在芸薹属植物中的大量运用使得转基因技术专利申请量在2011 年达到一个小高峰。由于转基因技术具有基因敲除位点不可控、遗传不稳定、外源基因插入不可控以及不可避免插入标记基因等问题，虽然起步较早，但进入21 世纪后被新兴的分子标记辅助育种技术逐步取代。2004 年分子标记辅助育种技术开始盛行且热度一直不减，是目前蔬菜分子育种的主要应用技术。该技术在品种选育和性状改良等方面精确度可以达到85%（辛竹琳等，2022），并且对白菜根肿病、番茄黑腐病等蔬菜中的常见病害进行分子标记已应用于实践（王立浩等，2016）。2012 年全基因组选择技术诞生，且应用越来越广泛，28 项专利中涉及白菜、菜豆、黄瓜、番茄、马铃薯、萝卜等大宗蔬菜，其中白菜运用此类技术最多。基因编辑技术的出现，使得传统基因工程育种中遇到的问题有所改善，实现定向、精确、稳定的目标（姚祝平等，2017）。基因编辑技术专利申请量从2016 年开始平稳增长，2019 年CRISPR 技术的出现使其增长更快。番茄和黄瓜是运用基因编辑技术最多的蔬菜种类，在番茄中有44 项专利，占比为58.67%，其中浙江大学和中国农业大学申请量最多，主要应用于抗虫、抗病以及品质改良等方面。

基因编辑技术与全基因组选择技术专利数量较少，是目前亟待发展的方向，因此希望国家投入更多的资金以及出台更适宜的监管机制，促进该领域快速发展。

2.6 全球不同蔬菜种类分子育种技术专利的应用

全球蔬菜分子育种技术专利主要集中于番茄、黄瓜、白菜和辣椒，且番茄上的申请量最多，为234 项。在番茄中分子标记辅助育种技术占21%，基因编辑技术占6%，转基因技术占3%，全基因组选择技术仅占1%。其他蔬菜种类专利涉及的各技术占比情况与番茄相似，分子标记辅助育种技术运用最多，全基因组选择技术运用最少（图5）。说明在蔬菜分子育种中对于全基因组选择技术的布局欠缺，是今后研究工作者的研究方向。

图5 不同蔬菜种类分子育种技术专利申请情况

马铃薯在世界范围内种植面积很大，但其分子育种领域专利申请量仅为36 项，说明马铃薯在分子领域的专利布局有所欠缺，这可能是未来研发者创新的重点领域。

2.7 全球蔬菜分子育种专利主要申请机构竞争力分析

由图6 可知，全球蔬菜分子育种领域专利申请量居前15 位的专利权人中只有6 个属于国外，中国研究机构较为活跃。中国农业科学院以107 项专利居于首位，其次是北京市农林科学院、上海交通大学、南京农业大学等。总的来看，中国的蔬菜分子育种专利申请主体主要是高校和科研院所，而国外的科研力量则主要是公司、企业。中国的科研转化为成果推广到市场的周期较长，而国外则时间较短，省去了从科研院所或者高校与公司合作进行推广的步骤。因此中国应引导企业提升创新能力，鼓励科研院所加快成果转化，将优质产品和技术尽快推入市场。

图6 全球蔬菜分子育种专利主要专利权人（排名居前15 位）及其专利申请量

2.8 全球蔬菜分子育种专利热点领域分析

从图7 可以看出，蔬菜分子育种专利主要集中在抗生物胁迫、性状改良以及方法改进等方面。抗生物胁迫方面的专利申请量最多，达到389 项，占比为31.5%，主要涉及抗虫和抗病方面，抗病类中抗根肿病、抗黑腐病和抗白粉病占大多数，主要涉及抗病等性状的载体构建、方法改进以及基因鉴定等，其中抗病育种研究的专利最多，占该类的96.1%；性状改良类研究方面的专利达223 项，位于第2 位，占比为18.0%，主要涉及果实颜色、大小、甜度等；方法改进方面排第3 位，专利达到145 项，占比为11.7%。蔬菜分子育种领域的技术目标中抗病育种、方法改进、生长发育以及育性研究是热点问题，而在多性状聚合以及多抗性方面的专利布局还有所欠缺，是以后育种工作者的研究方向。

图7 全球蔬菜分子育种专利热点领域分布

2.9 国内外蔬菜分子育种专利研发单位竞争力分析

2.9.1 中国知识产权局专利受理情况中国蔬菜分子育种专利前10 位专利权人均来自于中国科研院所和高校（图8）。一方面，在政府的政策支持下，高校和科研院所有更多的科研基金，而且有更多相关方面的专家作为技术支撑。另一方面，蔬菜分子育种还在不断发展，各个国家对于国外的布局有所欠缺。总体来看，中国发明专利绝大部分在国内申请，很少在国外申请，且许多专利不能应用于实践，仅限于科学研究，整体来说专利质量较低，市场化、产业化能力亟待发展。

图8 中国知识产权局蔬菜分子育种专利受理情况（排名前10）

2.9.2 国内外主要研发单位发展策略与竞争力分析比较选定数量增长、学术驱动、质量提升、市场推动、合作性、多样化、专业化以及国际化8 个方面对各国主要的研究机构及公司进行评估，其中数量增长指标基于专利申请量的年增长率，增长率越高则说明其增长越快；学术驱动指的是除专利文献之外的引用情况，若非专利文献领域引用较多则认为学术驱动能力较差，反之则较强；质量提升是指该机构拥有高质量专利（在同一领域内被引用次数越多，该专利质量越高）的比例；市场推动表示引用其专利时间为近几年，专利市场认可度高，更具市场化潜力；合作化是指与其他企业或者研究机构一起合作研发专利的程度；多样化指的是在不同种类的蔬菜中都有专利涉及，蔬菜种类越多说明其多维发展能力越强；专业化是指其专利IPC 分类的集中程度，集中程度越高，则专业化程度越高；国际化是指合作的单位属于国外的专利占总专利申请量的比例，若比例较高，则说明国际化程度高。

研发单位选择上，以中国农业科学院为中国研究机构代表，以天津科润农业科技股份有限公司为中国企业代表，以陶氏杜邦先锋公司和先正达集团股份有限公司为大型跨国公司代表，以首尔大学校产学协力团为国外高校代表。从图9 可以看出，先正达集团股份有限公司的长处是多样化、国际化以及专业化，其他方面优势不明显，陶氏杜邦先锋公司与先正达集团股份有限公司的发展策略相同，充分说明资本集中的跨国公司对未来的专利规划以及战略布局都有较强的系统性和规划性。首尔大学校产学协力团在合作性、多样化、市场推动中表现出明显的相对优势，尤其是与其他公司和企业合作、助推成果转化能力较强。中国农业科学院的蔬菜分子育种专利技术在数量增长上有较大突破，且在学术驱动方面具有优势，专利引用数量较高，在IPC领域集中程度较高，专业性较强，此外，在市场推动方面也有较强优势。天津科润农业科技股份有限公司则是注重“质”的提升，专业化程度较高，其专利近几年同一领域的被引量较高，说明该专利更具有市场优势，但该公司的国际合作相对较少，国际化能力亟待提升，今后可以加强与跨国公司的合作交流。

图9 国内外主要研发单位发展策略与竞争力分析结果

3 结论

3.1 中国专利申请量居于国际领先地位，但质量有待提高

全球蔬菜分子育种研发势头强劲，专利申请量处于上升趋势，中国专利申请量居于国际领先地位，但中国专利的被引量比较低，质量不高。同族专利引用较少，参与跨国联合研发的专利十分匮乏，表明中国专利的国际竞争力较差。专利的各研发单位之间的联系不紧密，尤其企业与高校、科研院所之间应加强合作。

3.2 中国蔬菜分子育种专利的申请主体与国外大相径庭

全球蔬菜分子育种领域专利的申请主体主要集中在中国、韩国和美国，其中中国和韩国的情况较为相似，专利申请的主要单位是科研机构，而美国则是以塞米尼斯蔬菜种子公司、陶氏益农公司、先正达集团股份有限公司以及陶氏杜邦先锋公司为首的跨国公司。此外，中国也有较少企业进行专利申请，如天津科润农业科技股份有限公司在黄瓜抗病以及雄性不育系方面研究成果突出。

3.3 中国蔬菜分子育种高精尖技术研究处于起步阶段

中国在蔬菜分子育种领域缺乏高精尖技术。相关专利中运用较多的是分子标记辅助育种技术，而对于新兴的全基因组选择技术以及基因编辑技术研究尚浅。据报道，在海南省崖州湾种子实验室，朱健康团队运用基因编辑技术，通过精准编辑叶用莴苣基因上游表达调控元件，研发了“高VC”叶用莴苣，使其VC 含量可以与猕猴桃相媲美（李艳玫，2022）。由此可见，高精尖技术的发展是必须的，在这方面应做出更好的专利布局。

3.4 蔬菜分子育种专利各国相互布局较少

在中国988 项专利中，仅有17 项为外国专利，且中国向美国申请的专利也仅有2 项。说明在蔬菜分子育种方面各个国家的专利布局都不够成熟。

4 展望

4.1 分子育种是驱动中国蔬菜核心种源自主可控的重要技术

如今中国面临着新一代的粮食安全问题，在耕地有限的情况下，如何增加产量和提高品质是亟待解决的问题，而高质量的种子以及种质资源是关键所在。为改变中国优质种子依赖进口、跨国公司垄断、本土优质种质资源丢失等困境，应将蔬菜核心种源掌握在自己的手中，其中分子育种是重要的技术驱动。希望国家投入更多的资金以及出台更适宜的监管机制，促进该领域快速发展。

4.2 复合性状是未来蔬菜分子育种的重点方向

分子育种从一开始被用于提高蔬菜的抗旱性、抗病性以及品种单一性状的改良，到目前已被用于多性状聚合、多种抗性结合的蔬菜新品种选育。利用转基因技术或基因编辑技术等可以将多个优良基因导入同一蔬菜作物，实现多基因聚合，提高育种效率，也可以利用QTL 位点定位及模块计算进行分子设计育种。所以，复合性状育种是现代蔬菜分子育种的重点方向。