全球小麥遺傳育種專利技術(shù)分析與研究進展

孟 靜，唐 研

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟研究所，濟南 250100）

1 引言

小麥是世界上三大糧食作物之一，也是全球栽培范圍最廣的作物，年產(chǎn)量超6.2 億噸，是世界上35%以上人口的口糧，它的持續(xù)增產(chǎn)增效，關(guān)系全球糧食安全。中國既是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，也是糧食消費大國，作為中國重要的商品糧和戰(zhàn)備儲糧，小麥產(chǎn)量和消費量均位居世界首位[1]。迫于環(huán)境因素制約、收儲方式不精、耕地面積持續(xù)減少等壓力，對于中國這樣一個擁有14 億多人口的大國而言，未來糧食供求的結(jié)構(gòu)性矛盾仍將存在，培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)小麥就成為守好糧食安全底線的重要舉措。小麥種質(zhì)資源的搜集、整理、篩選與系統(tǒng)選育，使小麥產(chǎn)量初步結(jié)束了低產(chǎn)的歷史；雜交技術(shù)在小麥育種中廣泛應(yīng)用，使小麥育種跨入中高產(chǎn)階段；數(shù)量遺傳學(xué)的應(yīng)用，遺傳種質(zhì)的重組與創(chuàng)新，育種學(xué)、生理學(xué)和栽培學(xué)的密切結(jié)合、相互滲透，創(chuàng)造了高產(chǎn)育種的新局面[2]。

小麥遺傳育種就是應(yīng)用遺傳學(xué)的理論和方法來為小麥育種服務(wù)，通過改造小麥的遺傳性創(chuàng)造、改良新品種，主要的育種方法有雜交育種、人工誘變育種、單倍體育種以及多倍體育種等。當前，全球小麥遺傳育種已取得豐碩的研究成果。HU 等通過近等基因系對特定位點擴增片段測序鑒定，發(fā)現(xiàn)位于7A 染色體上的TATGW-7A 對于提高小麥千粒質(zhì)量有重要的作用[3]；DAKOURI 等分析小麥種苗期和成株期葉銹病抗性特征，發(fā)現(xiàn)Lr34 是小麥成株期最重要的抗葉銹病基因[4]；ALLEN 等對5 種六倍體面包小麥群體進行單核苷酸多態(tài)性 （SNP） 位點篩選，發(fā)現(xiàn)了225 001 個用于構(gòu)建遺傳圖譜的SNP 標記[5]；王珊珊等對11 個經(jīng)過航天誘變的小麥品系和1 個未經(jīng)過航天誘變的小麥品種 （對照）進行了主要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量差異性分析，得到了適宜推廣種植的新品系[6]；楊雪峰等對wx 基因缺失效應(yīng)在強筋小麥品質(zhì)改良中的利用進行了研究，為面包面條兼用型強筋小麥育種提供理論依據(jù)[7]；翟勝男等利用TILLING 技術(shù)篩選EMS 誘變?nèi)后w，對類胡蘿卜素、ε-番茄紅素環(huán)化酶（LCYE） 的功能及遺傳調(diào)控機制進行研究，驗證了LCYE 的基因功能[8]。綜合來看，小麥抗病抗逆和高品質(zhì)品種選育、基因圖譜研究與應(yīng)用、生物技術(shù)在育種中的應(yīng)用等是國內(nèi)外學(xué)者的共同關(guān)注的研究課題。

在小麥遺傳育種技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，形成了大量的專利成果數(shù)據(jù)，這些專利集技術(shù)、法律和經(jīng)濟信息于一體，數(shù)量大、內(nèi)容覆蓋面廣，作為應(yīng)用成果轉(zhuǎn)化的重要載體，具有很強的科技情報價值，在推進農(nóng)業(yè)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新、促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。本文利用專利分析方法與規(guī)范化的數(shù)據(jù)分析手段，從申請總量及趨勢、國家/地區(qū)分布、技術(shù)布局與專利價值等方面分析了小麥遺傳育種技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢、研發(fā)熱點等，以期為未來育種研究的開展提供客觀、科學(xué)、有效的情報理論支撐。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)來源于智慧芽信息科技有限公司（PatSnap） 的全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫。智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫建立于2007 年，收錄覆蓋116 個國家和地區(qū)的專利數(shù)據(jù)超1.3 億條，并提供精準、多維、可視的專利及研發(fā)情報[9]，采用智慧芽Insights 英策專利分析系統(tǒng)作為專利分析與價值評估的工具。

2.2 研究方法

據(jù)世界知識產(chǎn)權(quán)組織 （WIPO） 有關(guān)統(tǒng)計表明，全球每年90%～95%的發(fā)明創(chuàng)造成果都可以在專利文獻中查到，專利作為發(fā)明創(chuàng)造，其本身包含著技術(shù)創(chuàng)新價值，依靠專利數(shù)據(jù)的精準分析可以更好的把握技術(shù)動態(tài)、了解技術(shù)布局與競爭力。

專利分析法就是對有關(guān)的專利文獻進行篩選、統(tǒng)計和分析，使之轉(zhuǎn)化成可利用信息的方法，分定量分析與定性分析兩種。定量分析即對專利文獻的外部特征 （專利文獻的各種著錄項目） 按照一定的指標 （如專利數(shù)量） 進行統(tǒng)計，并對有關(guān)的數(shù)據(jù)進行解釋和分析，以取得動態(tài)發(fā)展趨勢方面的情報；定性分析是以專利的內(nèi)容為對象，按技術(shù)特征歸并專利文獻，使之有序化的分析過程，一般用來獲得技術(shù)動向、特定權(quán)利狀況等方面的情報[10]。本文運用定量和定性相結(jié)合的分析方法，綜合考察多種分析指標，充分挖掘技術(shù)創(chuàng)新價值，以期達到良好的分析效果。

3 專利概況與指標分析

在智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫中使用高級檢索，選擇標題和摘要字段，設(shè)置檢索式為：((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 ((小麥OR 山羊草)and(遺傳OR 分子標記OR 染色體OR 基因OR 易位系OR 核苷酸) AND (育種OR 培育OR 選育OR 雜交))，檢索時間為2022 年4 月26 日。經(jīng)數(shù)據(jù)清洗后，共得到4 914 項專利，99.5%的專利為發(fā)明專利，0.5%的專利為實用新型專利。其中，有效專利占31.13%，審查中專利占19.59%，失效專利占40.89%。由于專利自申請到公開存在1 年半到3 年的滯后期[11]，2020—2022 年之間的專利數(shù)量無法完全代表這3 年的申請量，因此，趨勢分析時間段截止到2019 年。

3.1 專利申請趨勢

某一領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的生命周期大體可分為萌芽期、成長期、成熟期和飽和期[12]。全球小麥遺傳育種技術(shù)相關(guān)的最早一件專利申請見于1977 年，是由定誼科技股份有限公司申請的 “Hybrid wheat” （申請?zhí)朥S05/833444），該專利介紹了利用含有至少一個特定核基因的異質(zhì)小麥種子和與特定核基因或基因相互作用，保持植物可育的細胞質(zhì)，用誘變劑處理，以獲得具有突變核基因的胚胎種子。隨著全球小麥遺傳育種技術(shù)的發(fā)展，專利的申請和技術(shù)布局由此開始。專利申請趨勢如圖1 所示。

圖1 全球/中國小麥遺傳育種技術(shù)專利申請趨勢 （1977—2019 年）Fig.1 The annual distribution of wheat genetics and breeding technology patents applications from 1977 to 2019

從全球小麥遺傳育種技術(shù)專利申請趨勢來看，1977—1997 年專利申請數(shù)量較少且增長緩慢，處于技術(shù)萌芽期；1998—2009 年，申請數(shù)量開始有所增長，進入成長期；2010 年以后，受市場對小麥遺傳育種技術(shù)需求增長的驅(qū)動，專利申請數(shù)量大幅提升，并在2017 年達到申請量峰值，逐步向成熟期過度。專利申請整體趨勢雖存在波動，但總體呈現(xiàn)上揚態(tài)勢。隨著21 世紀以來生物技術(shù)與基因工程的快速興起，小麥遺傳育種技術(shù)的研究逐步走向成熟，此期間蛋白標記、DNA 分子標記、誘變育種、雜交育種和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)開始廣泛應(yīng)用，小麥遺傳育種技術(shù)研發(fā)體系日漸完善。

中國小麥遺傳育種技術(shù)專利申請始于1988 年，2003 年開始申請量出現(xiàn)小規(guī)模增長，直到2008 年，隨著國家 “轉(zhuǎn)基因生物新品種培育科技重大專項” 的啟動實施，作物遺傳、基因編輯技術(shù)得以快速發(fā)展，專利申請量開始大幅提升。雖然中國的專利申請起步晚于全球技術(shù)發(fā)端10 余年，但在2008 年之后，中國的專利申請量增長趨勢與全球水平趨于一致，并成為全球最大的專利申請國。

3.2 專利國家/地區(qū)分布情況

3.2.1 專利來源國/地區(qū)分析

專利的主要來源國家/地區(qū)，可以顯示該國家/地區(qū)的技術(shù)創(chuàng)新能力和活躍程度，選擇公開日最新的文本進行統(tǒng)計 （圖2），小麥遺傳育種技術(shù)專利申請數(shù)量排名前5 位的國家/地區(qū)依次是中國、美國、歐洲、澳大利亞和日本。其中，中國為小麥遺傳育種技術(shù)專利的主要來源國，專利數(shù)量為1 727 項，占全部專利的50.81%。美國專利數(shù)量為1 076 項，占比31.66%。其他國家的專利數(shù)量均較低。

圖2 全球小麥遺傳育種技術(shù)專利主要來源國家/地區(qū)Fig.2 Main countries and regions of global wheat genetic and breeding technology patents

3.2.2 專利受理國家/地區(qū)分析

國家/地區(qū)的專利受理情況，可以反映出該技術(shù)主要布局在哪些國家/地區(qū)以及目標市場的受關(guān)注程度，選擇公開日最新的文本統(tǒng)計 （圖3），小麥遺傳育種技術(shù)專利受理數(shù)量排名前5 位的國家/地區(qū)依次是中國、美國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織、加拿大和澳大利亞。其中，中國受理專利1 716 項，占比50.49%，是全球最受重視的目標市場。

圖3 全球小麥遺傳育種技術(shù)專利主要受理國家/地區(qū)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、歐、日、韓五大局的技術(shù)發(fā)源和市場布局情況，選擇公開日最新的文本統(tǒng)計 （圖4），根據(jù)專利技術(shù)來源與技術(shù)布局之間的關(guān)系來看，中國既是最大的技術(shù)來源國，又是最受重視的技術(shù)布局市場。受限于市場競爭意識薄弱、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化應(yīng)用能力的滯后，中國持有技術(shù)向他國流向的趨勢較弱，全球技術(shù)市場還留有很大的布局空間。相比之下，美國和日本的全球技術(shù)市場布局更加全面。

3.3 專利申請人分布情況

申請人專利申請量排名可以反映技術(shù)領(lǐng)域的活躍機構(gòu)，并體現(xiàn)技術(shù)的集中度。對申請人擁有的專利總量進行統(tǒng)計 （圖5），全球小麥遺傳育種技術(shù)排名前10位的專利申請人依次是先鋒國際良種公司、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所、孟山都科技公司、聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)、巴斯夫歐洲公司、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)和山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所。由此可見，國內(nèi)外的技術(shù)研發(fā)主體存在較大差異，排名前10 位的專利申請人中，國內(nèi)高校和科研機構(gòu)占據(jù)6 席，是該技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)活躍機構(gòu)；國外的技術(shù)主體則以大型跨國公司為主，市場驅(qū)動力和技術(shù)布局能力明顯更具優(yōu)勢。

圖5 全球小麥遺傳育種技術(shù)主要申請人Fig.5 Main applicants of global wheat genetics and breeding technology

4 專利技術(shù)主題分析

4.1 技術(shù)構(gòu)成分析

通過IPC （國際專利分類號） 分類統(tǒng)計，分析小麥遺傳育種技術(shù)研究中重點領(lǐng)域構(gòu)成的小類分布及主要技術(shù)分支的占比情況 （表1）。全球小麥遺傳育種專利的主要技術(shù)構(gòu)成有C12N15 突變或遺傳工程 （占比33.8%）、A01H5 被子植物 （占比23.07%）、C12Q1 酶與核酸或微生物的測定與檢驗方法 （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。結(jié)合專利受理國家/地區(qū)分布可以看出，C12N15 和C12Q1 領(lǐng)域在中國市場的布局較廣，這兩個領(lǐng)域主要涉及基因工程修飾和核酸測定與檢驗方法，是遺傳育種技術(shù)的關(guān)鍵，C12N15 領(lǐng)域在美國、加拿大、世界知識產(chǎn)權(quán)組織和澳大利亞的市場布局中同樣具有占據(jù)優(yōu)勢地位，由此可見基因工程修飾是各大技術(shù)布局的核心。

表1 全球小麥遺傳育種專利主要技術(shù)構(gòu)成與受理國家/地區(qū)分布Table 1 Main technical distribution and accepted countries and regions of wheat genetics and breeding technology patents

中國小麥遺傳育種技術(shù)專利的主要技術(shù)構(gòu)成為C12N15、C12Q1、A01H5、A01H1 和C07K14，集中在植物基因工程與遺傳育種、植物種植資源與改良、品質(zhì)改良基因的檢測與表達等方面，與全球技術(shù)構(gòu)成基本一致，只是技術(shù)側(cè)重點略有不同，這也說明了中國在該技術(shù)領(lǐng)域的市場已與全球技術(shù)戰(zhàn)略接軌。

4.2 熱點技術(shù)主題聚類

利用關(guān)鍵詞提取算法對專利進行文本挖掘和主題聚類，構(gòu)建具有層級關(guān)系的熱門技術(shù)詞旭日圖（圖6）。通過旭日圖可以看出，全球小麥遺傳育種專利的技術(shù)熱詞主要有抗性基因、組織培養(yǎng)、組合物、核酸分子、谷蛋白、轉(zhuǎn)基因、條銹病、咪唑啉酮、生物技術(shù)及分子標記。對技術(shù)熱詞進行層級拆分，可以看出抗病性基因的研究、耐除草劑和殺蟲劑研究、分子標記輔助育種研究、轉(zhuǎn)基因小麥研究、小麥DNA 序列研究、小麥籽粒營養(yǎng)元素優(yōu)化研究是全球小麥遺傳育種技術(shù)專利申請中的熱點技術(shù)主題，中國專利的熱點技術(shù)主題與全球基本一致。

圖6 全球小麥遺傳育種技術(shù)熱詞旭日圖Fig.6 Global hot words map of wheat genetics and Breeding technology

5 專利市場價值分析

專利價值評估方法包括市場基準的專利價值評估方法和非市場基準的專利價值評估方法[13]。智慧芽專利價值計算模型遵循QS9000 質(zhì)量標準——FMEA（Failure Mode and Effect Analysis，實效模式與影響分析） 管理模式[14]，運用市場法和機器學(xué)習(xí)模型，整合專利價值相關(guān)的80 多個指標 （包括引用、專利國家規(guī)模、專利存活期、法律狀態(tài)等），結(jié)合歷史上的專利成交案例等進行調(diào)整，最終得出專利價值的評估數(shù)值。

專利價值評估結(jié)果顯示，全球小麥遺傳育種技術(shù)專利總價值為135 558 600 美元，有專利價值的簡單同族專利數(shù)量為1 373 組。按每組簡單同族一個專利代表的去重規(guī)則進行統(tǒng)計，并選擇同族中有專利價值的任意一件專利。市場價值前10 位的專利如表2 所示。在全球小麥遺傳育種技術(shù)領(lǐng)域，市場價值前10 位的專利中有6 項的專利權(quán)人位于美國、2 項位于日本、2 項位于歐洲，還有1 項位于澳大利亞。全球各國家/地區(qū)專利價值分布不均衡，高價值專利主要集中在歐美發(fā)達國家，專利權(quán)人主體以國外大型跨國公司為主。

表2 全球小麥遺傳育種技術(shù)市場價值前10 位的專利Table 2 Top 10 patents of global wheat genetics and breeding technology market value

中國小麥遺傳育種技術(shù)專利總價值為37 643 700美元，有專利價值的簡單同族專利數(shù)量為895 組，數(shù)量占全球總量的65.16%，價值卻僅占27.77%，這也說明中國的技術(shù)研發(fā)雖勢頭強勁，但專利活躍度低，技術(shù)轉(zhuǎn)化與應(yīng)用較為謹慎，導(dǎo)致了專利價值無法得到充分實現(xiàn)。另外，國內(nèi)高價值專利的專利權(quán)人大多數(shù)為高校和科研機構(gòu)，在產(chǎn)業(yè)驅(qū)動力上與跨國公司相比還相差很遠。

高價值專利的技術(shù)主題主要涉及：利用重組DNA技術(shù)，使用載體引入外來遺傳物質(zhì)，改良轉(zhuǎn)基因植物的性能，制備富含抗性淀粉的小麥新品種；檢測植物個體基因突變/野生型等位基因的方法，使用聚合酶鏈式反應(yīng)擴增、包含等位基因特異性和基因特異性引物的新組合物進行檢測；高效率進行小麥屬植物轉(zhuǎn)化的基因?qū)敕椒ê娃D(zhuǎn)化植物的制作方法；利用基因改良，研發(fā)除草劑、殺蟲劑耐性強的小麥品種；多核苷酸的表達調(diào)節(jié)植物的雄性育性，利用小麥MS45 啟動子序列，連接雄性育性多核苷酸或其片段或變體等。

6 討論

從專利申請趨勢看，全球小麥遺傳育種技術(shù)研究正在邁向成熟階段，中國的專利申請量增長趨勢與全球水平基本一致，專利技術(shù)構(gòu)成與世界接軌，由此可見小麥遺傳育種技術(shù)在中國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域擁有著舉足輕重的地位。從專利申請人分布看，國外大型跨國公司是該技術(shù)領(lǐng)域的活躍機構(gòu)，國內(nèi)申請人則以高校和科研機構(gòu)為主，面向國際市場的技術(shù)布局不足。從專利技術(shù)主題方面看，主要技術(shù)構(gòu)成包括植物基因工程與遺傳育種、植物種植資源與改良、品質(zhì)改良基因的檢測與表達等，熱點技術(shù)主題有抗病性基因的研究、耐除草劑和殺蟲劑研究、分子標記輔助育種研究、轉(zhuǎn)基因小麥研究等，中國的技術(shù)研究領(lǐng)域已接軌全球技術(shù)高點。從專利市場價值角度，全球高價值專利主要集中在大型跨國公司手中，中國的高價值專利較少，有待進一步深耕。

6.1 全球小麥遺傳育種技術(shù)研究將持續(xù)推進

為抵御全球氣候變化與耕地銳減而導(dǎo)致糧食減產(chǎn)的風(fēng)險，提高主要糧食作物小麥的產(chǎn)量，將一直是提升全球糧食安全的不懈追求。在高投入的生產(chǎn)系統(tǒng)中，遺傳育種技術(shù)的應(yīng)用大大提高了小麥產(chǎn)量，新品種逐漸積累的遺傳變異對關(guān)鍵產(chǎn)量參數(shù)、抗病性、養(yǎng)分利用效率、光合效率和籽粒質(zhì)量都有著積極影響[15]。隨著全球作物育種技術(shù)的不斷發(fā)展，繼第一代傳統(tǒng)雜交育種、第二代分子標記育種之后，育種家們的 “一條腿” 已跨入了第三代育種時代——基因組育種[16]。利用基因組輔助育種技術(shù)，對遺傳結(jié)構(gòu)進行評價，通過全基因組預(yù)測，標記輔助選擇與籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)的表型指征和遺傳變異，可發(fā)掘更廣泛的性狀改良的潛力[17]。從專利申請趨勢角度，全球小麥遺傳育種技術(shù)專利還未達到飽和期，技術(shù)研究將持續(xù)推進。

專利的本質(zhì)是對新技術(shù)的保護，更是專利成果應(yīng)用推廣的催化劑，世界各國都在通過提升專利技術(shù)儲備力爭在國際競爭中占據(jù)優(yōu)勢地位。先鋒國際良種公司、孟山都公司和巴斯夫公司等全球知名的大型跨國公司優(yōu)先對小麥遺傳育種技術(shù)進行了全球性的專利布局，通過并購形成穩(wěn)定的專利陣營，其他技術(shù)雄厚的科研院所和新興公司的加入，讓全球小麥遺傳育種技術(shù)研發(fā)迸發(fā)出新的生命力，專利申請向高質(zhì)量高價值轉(zhuǎn)變，全球化的競爭逐漸走向多元化。

6.2 中國小麥遺傳育種技術(shù)專利申請前景展望

在近年中國專利申請量持續(xù)快速增長并成為世界第一專利申請目標國的背景下[18]，中國專利申請已進入前所未有的機遇期。隨著中國小麥遺傳育種技術(shù)研究水平邁入國際一流行列，專利申請也呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢頭，不管是申請數(shù)量還是技術(shù)布局都取得了一定的國際影響力。與此同時，中國小麥遺傳育種技術(shù)專利的申請也面臨著一系列的挑戰(zhàn)：首先專利質(zhì)量與國際水平還存在一定差距，專利成果的轉(zhuǎn)化率低，制約了專利價值的增值；其次專利技術(shù)輸出能力不足，專利的全球性布局視野較窄，自主知識產(chǎn)權(quán)保護意識有待提升；最后專利的市場化和產(chǎn)業(yè)化驅(qū)動力較為薄弱，技術(shù)創(chuàng)新的資源優(yōu)勢未能得到充分發(fā)揮。

高水平的科研團隊是技術(shù)研發(fā)和專利申請的保障，中國小麥遺傳育種技術(shù)專利申請主體與國外研發(fā)主體差異度大，高校和科研院所研發(fā)實力強，而成果轉(zhuǎn)化能力弱，亟需新興農(nóng)業(yè)科技企業(yè)的進入來激活市場的應(yīng)用潛力。因此，提高專利的質(zhì)量和價值，加大企業(yè)參與研發(fā)力度、增強科研成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化能力將是下一步重點完善的方向。同時，中國專利技術(shù)布局應(yīng)打破地域局限，主動參與到全球化的技術(shù)競爭中去，延伸拓展專利技術(shù)的全球布局，積極推動小麥遺傳育種技術(shù)走出去，不斷推進國際產(chǎn)業(yè)化進程，讓中國小麥遺傳育種技術(shù)的研發(fā)與專利申請走在世界的前列。