农作物辐射诱变育种技术中国专利分析

刘晓娜 张丽华 李红军

（1中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100193；2国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100160；3中国农业大学图书馆，北京 100083）

农作物辐射诱变育种技术是核农学研究领域的重要组成部分。1928年Stadler［1］首次把X射线应用到了玉米和大麦的诱变研究中，开创了植物辐射诱变的先河。我国辐射诱变育种研究始于1956年，起步较晚，但发展迅速［2］。根据国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，IAEA）突变品种数据库（http：//nucleus.iaea.org/sites/mvd/SitePages/Search.aspx）检索可知，截至2022年3月22日，全球已经登记辐射诱变农作物品种共3 388个，注册数量较多的作物种类依次包括：水稻、大麦、菊花、小麦、大豆和玉米；来源较多的注册国家依次包括：中国、日本、印度、俄罗斯、荷兰。核辐射诱变技术为保障我国粮食安全和促进农业科技进步做出了重要贡献［3］。

农作物辐射诱变育种的研究主要通过筛选诱变源、诱变材料和诱变方法，达到提高诱变效应、获得期望突变体的效果，此外还对诱变的生物机理等方面开展研究［2］。近年，有相关学者总结报道了农作物辐射诱变育种研究进展，为公众介绍了基础知识［4-5］。赵林姝等［6］统计了我国“十二五”期间部分利用诱变方法育成的品种，分析了辐射诱变育种存在的问题，并给出了建议。肖鑫丽等［7］分析了果树、蔬菜和花卉等园艺植物的辐射诱变技术，但未针对粮食和油料作物等进行研究。甘仪梅等［8］研究了作物航天诱变变异的主要遗传特征及遗传性状，并在此基础上提出作物航天诱变育种需要加强和完善的问题。张丰收等［9］根据近年公开发表的学术论文，总结了各种作物不同辐射材料及不同辐射源的处理情况，并分别标注了各文献重点关注解决的技术问题，但其重点关注的是中文学术论文文献，尚不足以从全局了解农作物辐射育种的研究态势。国外学者也报道综述了部分辐射突变育种的现状［10］，或介绍了CRISPR/Cas9介导的突变、体外诱变和γ射线诱变等方法［11］。可见，已有报道文献并未更广泛地分析农作物辐射诱变育种技术的现状以及发展历程，尤其没有整体分析我国当前辐射育种的研究机构分布情况、相关技术研究的分布规律等内容。

随着创新主体对应用类研究成果知识产权保护意识的不断增强，越来越多的企业和科研机构对其最新的创新成果进行了广泛而深入的专利布局。由于专利申请需要满足新颖性、创造性、说明书充分公开等要求，因此专利申请文件中通常包含大量的技术细节。专利文献作为一种无形资产，其中蕴含的创新性和应用性是学术论文所不能及的［12］。以专利文献为研究对象，不仅能够全面了解该技术领域的研究分布情况，而且能获得最前沿的技术信息，为技术研发和专利保护提供有益帮助。

本文以全球申请人在我国内地提交的农作物辐射诱变育种相关专利申请文献为对象，对该技术的专利申请量趋势和申请类型、申请人国别和国内地区分布、申请人排名和类别构成，以及辐射源、物种、辐射部位、性状变化等主题的技术分布进行统计分析，并对部分重点专利技术进行解读，期望研究成果能够为读者提供有益参考。

1 专利文献检索策略及数据处理方法

本文的专利文献数据来源于Incopat专利数据库（北京合享智慧科技有限公司）中的中国专利数据库，采取分类号和关键词相结合的全文检索策略。首先，获取与农作物辐射诱变育种相关的专利信息，采用的关键词包括：辐射、辐照、照射、放射、射线，国际专利分类号为：A01H1/06（含义为用化学物质或辐射方法产生突变的方法），最终检索式确定为：［FULL=（辐射OR辐照OR照射OR放射OR射线）］AND［IPC=（A01H1/06）］，检索日期截至2022年4月17日。其次，对检索结果逐一浏览并进行人工去噪，排除不涉及农作物辐照育种技术的专利，以保证数据的准确性。经扩展合并同族后获得发明和实用新型专利申请的目标文献数据。进一步对目标专利文献的申请授权、法律状态、申请人及地区分布等信息进行分析后，再通过详细阅读浏览专利文献技术信息，对每篇专利文献涉及的辐射源、作物种类、辐射对象材料、性状等进行人工分类标引，并按类统计。

2 农作物辐射诱变育种专利现状分析

2.1 专利申请类型、申请量和授权量的年代分布

截至检索日，我国内地农作物辐射诱变育种领域的专利申请总量为456件。专利申请类型显示，大约92%为发明专利申请，其技术主题主要为育种方法和辐射设备；实用新型专利申请量占比约8%，技术主题全部为辐射育种设备。

由图1可知，我国农作物辐射诱变育种的发明专利申请最早起始于1985年，其后十余年的申请量变化不大，均低于10件。从2003年开始到2012年的十年间，专利申请量呈波动增长趋势，但最高的年份不到20件。自2013年起，申请量出现快速增长，最高达到2020年的50件，反映了最近十年该领域技术创新有较快发展，同时科研人员的成果保护意识大大增强。需要说明的是，由于专利申请有长达18个月的公布周期，申请日为2020—2022年的部分申请可能还未公开，因此2020—2021年的数据不能代表实际申请量。

自1992年第一件农作物辐射诱变育种专利获得授权以来，截止本论文检索日，我国农作物辐射诱变育种的专利授权量累计189件（图1）。2003年前，平均每年授权量仅1～2件，之后授权量逐渐增加，其中2021年授权量最多，为32件。授权量的逐年增加也反映了创新主体对农作物辐照诱变育种技术授权条件的了解程度逐渐深入。

图1 农作物辐射诱变育种领域中国发明专利年申请和授权量分布情况Fig.1 Distribution of patent applications and patents in the field of crop irradiation mutation breeding in China

2.2 专利申请法律状态分布

专利申请与学术论文最主要的区别之一在于：公开的专利申请具有不同的法律状态。例如，处于有效授权状态的专利是受法律保护的，专利权人具有排他使用权；处于审查中的专利申请经过实质审查后，有可能因不具备法律规定的授权条件被驳回或撤回，而学术论文公开发表后不存在法律状态问题。因此，通过分析不同法律状态的专利文献，可以帮助本领域科研人员了解专利技术的创新性水平以及专利保护的整体质量。

本文按照以下类型统计专利申请的法律状态：审查中、驳回、撤回、有效授权、授权后因未缴年费而失效（即未缴年费）、专利权届满终止（即届满）、放弃（例如因避免重复授权而放弃）。由图2可知，处于审查中的专利数量最多，占农作物辐射诱变育种领域专利文献的25%，这与图1中近年申请量的增加有关。根据图2中有效授权专利与未缴年费专利数量的占比可知，本领域的授权量约占总申请量的30%，但其中未缴年费专利数量约占授权总量的35%，说明本领域专利保护的水平还有待提高。此外还发现4件保护期届满的专利，其中3件分别是美国、德国和日本的技术进入我国进行保护的专利，另外1件是我国哲里木盟农业科学研究所申请的利用核辐射方法建立蓖麻标雌保持系的方法。

图2 农作物辐射诱变育种领域专利法律状态分布Fig.2 Distribution of patent legal status in the field of crop irradiation mutation breeding

2.3 申请人地域分布

进入我国保护的专利申请人包括国内和国外两类。由图3可以看出，在国内申请人中，来源于安徽省的专利申请量排名第一，占申请总量的11%，江苏、山东、北京、河南的申请量同样较大，分别排名第2～第5位，前五名的专利申请量超过申请总量的40%。上述结果说明安徽省在辐射诱变育种领域专利聚集度高，反映了安徽省的研发创新主体多、研发成果多。

图3 国内各地区专利申请量分布Fig.3 Distribution of patent applications in various regions of China

通过分析国外申请人在我国申请专利的情况，在一定程度上有助于了解我国与国外申请量的差别，以及我国吸引国外申请人进行专利保护的程度。本文发现（数据未列出），在农作物辐射诱变领域的中国专利中，来自国内的申请约占92%，国外申请人仅占比8%左右；在国外申请人中，申请量比较大的主要来自日本和美国，其他国外申请人来自荷兰、以色列、澳大利亚、瑞士、德国、列支敦士登、加拿大和法国等国家。我国农作物核辐射诱变育种领域的研发人员应当重点关注日本和美国的专利技术。

2.4 主要申请人类型和排名

从农作物辐射诱变领域的主要申请人排名可以看出，该领域的主要创新主体来源类别。由图4可以看出，该领域的申请人涵盖了大专院校、科研单位、企业、个人、机关团体等不同类型，其中科研单位所占比例最大，约占总量的1/3，其次为大专院校和企业，均接近30%。综合来看，大学、研究机构和企业是农作物辐射诱变技术研发的主力军。由于对试验条件和设备要求较高，个人和其他申请人投身该技术研发的难度较大，因此其申请量较小。对此，可以借鉴个人与高校、科研机构、公司联合，实现共赢的模式。

图4 专利申请人类型构成分布Fig.4 Distribution of types of patent applicants

由图5可以看出，农作物辐射诱变育种领域专利申请量排名前五的分别是中国科学院近代物理研究所、西南科技大学、浙江省农业科学院、华南农业大学和福建农林大学。排名前十的申请人中70%是大专院校和科研单位。其中，洛阳华清天木生物科技有限公司是该领域专利申请数量最多的国内企业；日本的三得利控股株式会社是该领域专利申请数量最多的国外企业。

图5 主要专利申请人专利申请量排名Fig.5 Ranking of major patent applicants in patent application

2.5 农作物辐射诱变育种技术分布

由图6可知，农作物辐射诱变育种技术应用的物种类别覆盖了谷物、豆类、果蔬、花卉、中草药、经济作物等。可应用于多种作物的通用技术占比最高，为19.34%，通用于多种物种的辐射技术中有60%以上涉及辐射诱变育种装备，其他为辐射诱变方法。其次，应用最多的大宗农作物是水稻，占比12.53%，应用在玉米上的辐射诱变技术较少，占比仅为2.85%。这反映了我国辐射诱变育种技术在水稻上的应用最为广泛，这也与水稻是我国第一大粮食作物，我国水稻育种技术在全球处于领先的地位一致。

图6 农作物辐射诱变育种技术分布（物种类别）Fig.6 Distribution of crop irradiation mutation breeding technology（types of crop）

由图7可知，农作物辐射育种的专利中，有59.39%的专利技术以种子作为辐射组织，反映了种子是常规农作物育种使用最多最普遍的材料。其次是针对多个植物部位的通用技术占比较大，但其中67.85%涉及辐射诱变育种设备，说明辐射育种设备的专利技术普遍可以辐射多种植物部位。进一步分析发现，辐射部位为营养器官的物种，全部为花卉、果蔬、中草药、竹子等经济作物，不包括大宗粮食作物或油料作物。这体现了辐射诱变育种应用于以无性繁殖为主的作物时的技术特点。

图7 农作物辐射诱变育种技术分布（辐射部位）Fig.7 Distribution of crop irradiation mutation breeding technology（irradiation sites）

辐射源是农作物辐射育种领域影响诱变效率的主要因素。由图8可知，γ射线辐射源由于其穿透力强，在农作物诱变育种上的应用最普遍，占比达41.35%；其次，应用离子束辐射诱变育种占比较高，达12.91%。这反映了具有损伤轻、突变频率高和突变谱宽等优势的离子束辐射源具有较广泛的应用。值得关注的是复合辐射源技术，占比7.22%，例如安徽普立米生物科技有限公司申请的“一种高醇溶蛋白大米的培育方法及其应用”（CN109757358A）［13］，公开了首先采用X射线和60Co-γ射线交替辐射处理稻种，然后采用电子束二次辐射M1代稻种，最后用等离子体辐射诱变处理M2代胚性愈伤组织，通过连续三代辐射诱变技术选育高醇溶蛋白的突变水稻单株，提高有效突变频率。

图8 农作物辐射诱变育种技术分布（辐射源种类）Fig.8 Distribution of crop irradiation mutation breeding technology（types of irradiation source）

辐射诱变农作物后产生预期稳定的表型是育种研究者的最终目标。由图9可知，农作物辐射育种的专利申请中，涉及突变体筛选占比最高，为29.35%。这主要与我国专利法对诱变育种领域的授权条件相关规定有关。其次，改良品质的辐射育种专利技术占比23.88%，说明诱变育种专利技术改良的农作物表型以改善农作物品质为主，例如通过辐射处理绿豆种子提高绿豆芽中的花青苷含量［14］。可见，辐射诱变育种技术的发展趋势以获得功能营养品质的表型品种为研发方向。

图9 农作物辐射诱变育种技术分布（表型）Fig.9 Distribution of crop irradiation mutation breeding technology（phenotype）

根据育种辐射设备专利的技术特点，本文分析了专利的技术改进与实现的技术效果，结果发现辐射设备改进的技术包括：调节辐射方向角度的设计、载样结构改进、传输结构、调节辐射温湿度环境结构、以及辐射源设计等。这些改进解决的技术问题主要包括：辐射不均匀、取样不方便、操作自动化程度低等。

3 重点专利技术简介

由于先申请制是全球各国普遍采用的基本专利制度，因此相对于学术论文，更多重要的、具有实际产业应用前景的技术往往会先申请专利，再发表论文，或者仅申请专利保护，不发表论文。通过跟踪分析最新公开的专利文献，可以及时了解农作物辐射育种领域最新的技术。例如，华南农业大学于2022年2月8日公开的发明专利（CN114015715A）［15］，涉及一种通过基因编辑结合物理诱变培育温敏不育系的方法，该发明首先利用基因编辑快速获取大量温敏不育品系，并筛选出适合杂交育种的温敏不育系，其次对获取的温敏不育系的原种进行物理辐射诱变，得到相应的温敏不育系。这反映了辐射与基因编辑等分子育种相结合是农作物辐射育种技术的一个重要发展趋势。

辐射诱变育种与分子生物学结合的技术还包括突变体筛选技术，例如湖南杂交水稻中心2020年3月24日公开了“一种高通量靶向鉴定理化诱变植株M1代突变及获取突变体的方法”（CN110904258A）［16］，该发明通过对植物进行辐射物理诱变获得M1代植株后，比对M1混池测序结果与目的基因区域的相关序列，鉴定是否存在目标单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）和/或插入缺失标记（insertiondeletion，Indel），并对嵌合体单株进行DNA鉴定，选择含有该突变的穗子并混收其种子进行混播，然后分单株进行DNA鉴定，获得具有目标遗传表型的M2单株。该发明提高了辐射诱变后的筛选效率。

对辐射方法或设备的改进有利于提高效率、降低成本。激光诱变育种常用的激光器有CO2和He-Ne激光器，由于激光处理种子技术中一项很重要的不确定因素就是激光辐射的剂量问题，因此需要所用激光器辐射功率密度可调，这样才能满足不同的试验要求［17］。黑龙江八一农垦大学的发明专利（CN106171968A）［17］涉及激光辐射种子的辐射功率密度的调节方法，包括：1）调节仪器：将He-Ne激光器、聚焦透镜、双偏振片、扩束镜和反射镜的中心调节至同一高度，且测量各仪器之间的距离；2）求辐射种子光斑面积：根据He-Ne激光器的参数以及步骤1中测得的数据，求得辐射种子的光斑面积；3）调节辐射功率密度：调节扩束镜的倍数，通过改变辐射种子光斑面积来调节辐射功率密度或调节双偏振片，通过改变双偏振片的出射光强来调节辐射功率密度。该方法所使用的设备简单，成本低，而且具有激光辐射功率密度灵活可调的优点，能够调节种子辐射试验中激光辐射剂量，提高了试验效率。

由于常规环境条件对高能粒子具有强烈的耗损，要获得高效的加工效果通常需要真空的环境条件，以减小空气分子对高能粒子的散射和消耗作用，但是一般生物体无法在真空环境中生存，一些生物活性物质也不能长时间耐受真空环境，因此，需要使用特定的装置和技术来实现这一途径［18］。东南大学的发明专利（CN105638452A）［18］涉及一种育种装置，包括一个可密封的环境腔体，所述环境腔体的上盖为厚度小于500 nm的超薄窗体，所述超薄窗体对高能粒子束透明；所述环境腔体内设置有对高能粒子束透明的培养介质；所述高能粒子束的辐射定位精度在纳米或者微米级别；将待育种生物体的组织或者具有遗传特性的物质置于环境腔体内，通过高能粒子束对生物体组织的特定位点进行辐射，实现纳米或者微米级别的特定位点辐射育种。该发明发挥现代高能粒子束的高空间分辨率和定位精度，实现对生物体组织的特定位点进行辐射；结合使用环境腔体的真空隔绝性，可以保留生物体的生物活性；两者结合可以极大提高辐射育种的成功率和效率。

植物的花粉或者种子体积较大，并且具有较厚的细胞壁，因此其诱变需要大功率密度的等离子体发生器［19］。洛阳华清天木生物科技有限公司的发明专利（CN109937873A）［19］涉及等离子体植物诱变装置，包括植物处理部分、检测与控制部分，该装置将氦气源输入等离子体发生器中，通过控制器基于特定处理参数和气体流量控制器、功率传感器、温度传感器以及位置传感器的信号控制等离子体发生器的发射，使得在植物诱变过程中等离子体发生器的功率密度在给定的范围，从而可以对种子或花粉等进行有效诱变；该设备免除了真空设备，减少了冷等离子体植物诱变装置的部件且操作方便。

获得专利保护是为了获得独占该技术的权利，拥有专利权后可以许可、转让或作价入股，促进专利技术的实施应用，同时能够表明专利技术的重要程度。通过分析农作物辐射育种领域专利的法律状态发现，哲里木盟农业科学研究所2000年11月8日申请的蓖麻标雌系诱变保持法发明专利（CN1352876A）［20］，通过核辐射使蓖麻产生变异，获得一种带有明显标志的蓖麻单雌系及其保持系，为大面积推行蓖麻杂交技术提供了条件，该专利被香港世界华人专业技术博览会组委会授予世界华人科学技术发明奖。该专利一直保护到2020年11月8日即专利届满日，期间进行了转让和质押。这反映了该专利技术在行业内具有一定影响力和商业价值。我国农作物辐射诱变育种许可和转让的专利还包括：北京市辐射中心申请的一种离子束注入诱变选育蛹虫草菌株的方法和所育菌株发明专利（CN104885931A）［21］，该发明具有优异的虫草素生产性能，其虫草素产量比出发菌株提高8.85倍；神舟太空产品高科技成果推广中心集团有限公司申请的太空诱变高效冬虫夏草菌、其应用及其胶囊制剂的制备方法发明专利（CN103262798A）［22］，该发明中制得的冬虫夏草菌株中虫草多糖和虫草酸的含量大幅度提高。

4 讨论

诱变育种技术已被用于提高世界上最重要作物的产量、质量和适应性，在解决许多国家的粮食和营养安全问题方面发挥了重要作用，而全球气候变化对作物产量带来的风险和日益增长的农业生产需求，要求作物改良技术更加精准［23］。进入21世纪以来，随着全球科技进步，作物育种技术也随之发展。育种领域普遍认为当前全球育种技术已经迈入第5代智能育种阶段，而我国大部分作物育种仍处在以传统杂交育种为代表的第2代，以物理辐射、化学或太空诱变育种技术为代表的第3代的育种阶段，仅少部分作物处于第4代分子育种阶段［24］。为了进一步了解辐射诱变育种技术在全球其他国家的发展趋势，本文检索发现全球其他国家在2012—2022年申请农作物辐射诱变育种的专利约为1 000件以上（未进行详细数据统计），2020—2022年公开的美国授权专利近80件，这反映了辐射诱变育种技术目前并未被其他育种技术所替代，仍在育种领域发挥独特的作用，辐射诱变与基因编辑、分子检测、智能数据筛选等技术的结合应用存在较大的应用前景。可喜的是，我国已有科技工作者通过基因编辑结合物理诱变培育了新品系并提交了专利申请［15］，表明我国的辐射诱变研究正逐渐迈入更广阔的技术发展空间。

专利是一种无形资产。专利技术的转化和运用是无形资产运营的前提［25］。本研究发现辐射诱变育种领域许可和转让的专利数量很少，并且未缴年费的专利数量约占授权总量的35%，说明专利维持年限短，这反映出该领域专利的商业价值较低，制约了专利技术的转化运用。

针对诱变育种领域，由于诱变方法在侵权鉴定时难度较大，而产品的侵权鉴定相对容易，往往通过常规生物学检测方法即可实现，因此该领域的产品的保护力度通常大于方法。本文通过分析国外申请人进入中国申请保护的专利技术，并对比我国申请人的专利发现，我国申请人的专利保护辐射诱变的方法较多，而来源于国外的专利大部分都是将辐射方法作为一种辅助获得作物性状突变体或改变某特定基因的手段，其主要保护改良性状后的农作物或相关的核酸或蛋白质等产品。因此，为了加强成果保护力度，将诱变方法及相关产品同时予以保护，不失为一种更稳妥的保护策略。

此外，值得关注的是，我国专利授权需要满足专利法第二十二条第四款关于实用性的规定［26］。根据我国对辐射诱变育种技术的专利审查实践，对于通过人工诱变获得具有某特性的生物材料的方法，由于其主要依赖于生物材料在诱变条件下所产生的随机突变，通常不能重现，因而不具有工业实用性［27］。同时，辐射诱变获得的植物品种（包括具有繁殖能力的植物细胞、组织）也属于我国专利法意义上不授权的客体，而美国专利可以保护各种诱变方法获得的植物品种。因此，对于辐射诱变农作物新技术的知识产权保护策略，建议注意以下内容：（1）可以选择植物新品种权保护品种，或者将完成发明所必须的、公众无法获得的植物品种或材料，在国家知识产权局认可的保藏单位［例如中国典型培养物保藏中心（China Center for Type Culture Collection CCTCC）］进行保藏，在专利申请文件中记载所保藏的材料的保藏信息，并在申请时提交保藏证明和存活证明等相关证明文件，以满足说明书充分公开的要求［28］；（2）可以保护诱变获得的植物材料或品种在作物育种或者遗传改良中的应用；（3）如果研究发现辐射诱变后与性状改变相关的分子标记或基因，以分子标记、基因或蛋白及其应用的形式申请专利保护；（4）调整诱变方法的撰写形式以满足实用性的要求，如删除针对特定性状进行辐射诱变等；（5）除了保护诱变方法，还可以保护新的诱变装置、仪器或设备。

5 结论

本文通过统计分析农作物辐射诱变育种领域在我国申请专利保护的情况，发现该领域在我国的申请量仍处于上升期，但由于创新性、撰写不当等因素导致授权率较低，约为30%，其中未缴年费的专利数量约占授权总量的35%。该领域总申请量中约92%为发明专利，技术主题包括育种方法和辐射设备，实用新型占比仅8%，技术主题全部为辐射育种设备；来自国内的申请人占比约92%，国外申请人占比仅8%；科研单位、大学和企业是该领域技术研发的主力军。辐射诱变专利应用最多的品种是水稻，占比约12%；种子是普遍采用的辐射部位；γ射线是应用最多的辐射源，占比达41.35%，其次是离子束；辐射诱变以获取突变体为目的的专利最多，其次是品质改良。我国与国外在辐射诱变育种领域的专利保护仍存在差距，建议加强辐射诱变与其他前沿分子生物学育种技术的结合，同时提高专利申请文件的撰写质量。