基于全球蔬菜分子育種專利的信息分析及技術(shù)展望

劉哲源 康宇立 唐巧玲 李 蕾 王友華*

（1 中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所，北京 100081；2 甘肅農(nóng)業(yè)大學，甘肅蘭州 730070；3 中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，中國2021 年蔬菜種植面積約為0.21 億hm（3.2 億畝），是重要的經(jīng)濟作物類別之一。分子育種是利用分子生物學技術(shù)在分子水平上對種質(zhì)進行改良的育種方式，與傳統(tǒng)的蔬菜育種方式相比，分子育種可以大大縮短育種年限，打破生殖隔離，與育種目標的契合度更高，從而快速、定向、穩(wěn)定地培育出優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)、多抗廣適的蔬菜新品種（趙靜娟 等，2015）。近年來，科學技術(shù)的不斷進步使得蔬菜分子育種技術(shù)也取得了長足發(fā)展。1994 年世界上第1 例轉(zhuǎn)基因番茄問世（馬文靜 等，2010），2004 年才出現(xiàn)了第2 例轉(zhuǎn)基因蔬菜—辣椒。1997 年，通過標記調(diào)節(jié)成熟番茄葡萄糖與果糖比例的基因，使得分子標記進入人們的視野。2001 年，Meuwissen 等（2001）提出全基因組選擇（genomic selection，GS）概念。2009 年，第1 例蔬菜—黃瓜測序完成（張圣平和顧興芳，2020），隨后又對馬鈴薯、白菜等進行全基因組測序（謝玲娟 等，2021）。基因編輯技術(shù)的誕生，使分子育種進入了新紀元，目前CRISPR/Cas9 系統(tǒng)的基因定點敲除技術(shù)在黃瓜、番茄、甜橙以及大豆中的應用取得了一定的研究進展（姚祝平 等，2017）。本文通過對2002—2021 年全球蔬菜分子育種專利進行系統(tǒng)分析，挖掘分子育種技術(shù)發(fā)展的趨勢和熱點，以期為相關(guān)科研工作者提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

全球蔬菜分子育種領域?qū)＠麛?shù)據(jù)來源于商業(yè)數(shù)據(jù)庫智慧芽數(shù)據(jù)庫（PatSnap），時間跨度為2001—2021 年，數(shù)據(jù)采集的專利申請日截至2021 年12月31 日，選取中國蔬菜種植產(chǎn)量較高的辣椒、番茄、馬鈴薯、甘藍、白菜、黃瓜、甜椒、菜豆為對象，以標題和摘要作為檢索重點，檢索式為TA_ALL：（分子育種OR 轉(zhuǎn)基因OR 分子標記輔助OR 基因編輯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 馬鈴薯OR potato OR 甘藍OR wild cabbage OR 白菜OR Chinese cabbage OR 黃瓜OR cucumber OR 甜椒OR 菜豆OR kidney bean OR phaseolus vulgaris OR pea bean OR French bean），主題選取包括：申請年份、IPC 分類、國家地區(qū)分類等。由于全球不同國家（地區(qū)）對植物新品種的專利保護法規(guī)不同，為在分析全球?qū)＠夹g(shù)時體現(xiàn)一致性，本文對植物新品種專利進行了排除。由于一般專利自申請到專利公開存在18 個月至3 年的滯后期，2019—2021 年數(shù)據(jù)僅供參考。使用Microsoft Excel 軟件對專利數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 分析結(jié)果

2.1 全球蔬菜分子育種專利申請情況

在智慧芽數(shù)據(jù)庫中共檢索出6 463 項專利，以每件申請的1 個公開文本作為單個技術(shù)組，共4 745組，經(jīng)人工篩選，排除含水稻、玉米等非蔬菜類專利，符合條件的專利申請量為1 236 項、813 組。

2.2 全球蔬菜分子育種專利的發(fā)展趨勢分析

鑒于2002 年以前目標專利申請量不足20 項，本文以2002 年為起始年份進行分析。由圖1 可知，20 年來全球蔬菜分子育種專利申請量整體呈上升趨勢，大致經(jīng)歷4 個階段：2002—2009 年屬于起步階段，專利申請量每年均不超過15 項；2010—2015 年屬于穩(wěn)步上升階段；2016—2019 年為指數(shù)型增長階段；2019—2021 年為螺旋式增長階段，專利申請量起伏不定，但總體呈上升趨勢，其中2021 年最多，達212 項，這主要歸結(jié)于基因編輯等新技術(shù)的出現(xiàn)，以及高通量基因測序技術(shù)的廣泛應用，為蔬菜分子育種工作奠定了堅實的基礎。

圖1 2002—2021 年全球蔬菜分子育種專利申請量

2.3 全球蔬菜分子育種專利重點技術(shù)領域分析

蔬菜分子育種研究的技術(shù)構(gòu)成可主要概括為分子標記技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、全基因組選擇技術(shù)、基因編輯技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)5 大類。采用國際專利分類方法（IPC）進行分類統(tǒng)計，通過分析IPC 號代表的技術(shù)類型的專利申請情況，了解蔬菜分子育種領域各個技術(shù)類型的分布及發(fā)展趨勢。

根據(jù)2002—2021 年全球蔬菜分子育種IPC 大組專利申請量統(tǒng)計結(jié)果（表1），類別C12N15 和C12Q1 分別位于第1 和第2 位，說明這兩個類別是蔬菜分子育種領域的主體。從IPC 分布可以看出，目前基因工程、新品種選育以及種質(zhì)資源開發(fā)仍是蔬菜分子育種研究領域的重點，但是重點方向已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向基因編輯育種以及分子設計育種。

表1 2002—2021 年全球蔬菜分子育種專利申請量居前的9 個IPC 分類小組

對2002—2021 年IPC 分類重點領域的專利申請量進行統(tǒng)計分析（圖2），C12N15 和C12Q1 兩個類別在蔬菜分子育種領域中發(fā)展最快，2011 年開始申請量遠遠超過其他類別，充分說明在蔬菜分子育種領域研發(fā)集中于外源基因的改良以及分子標記對品種的改良，而且創(chuàng)新的可持續(xù)性仍然強勁。

從圖2 還可以看出，C12Q1 類別的專利申請量在2019 年前呈增長態(tài)勢，但在2019 年大幅降低，這是由于中國農(nóng)業(yè)科學院、北京市農(nóng)林科學院、上海交通大學以及南京農(nóng)業(yè)大學一直是該領域的科研主力，但在2019 年只有中國農(nóng)業(yè)科學院申請了26項專利，北京市農(nóng)林科學院申請了1 項專利，其他科研主力機構(gòu)沒有進行專利布局，使得2019 年在C12Q1 類別的專利申請量呈下降趨勢。

圖2 蔬菜分子育種專利IPC 分類重點領域申請量

2.4 全球蔬菜分子育種專利主要受理及申請國家（地區(qū)）分析

由圖3 可知，蔬菜分子育種專利受理量居前3位的國家依次是中國、韓國、美國，這3 個國家受理的專利量占總申請量的92.4%。其中絕大多數(shù)來源于中國，中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局的專利受理量高達988 項，占總申請量的79.9%；韓國專利受理量為107 項，占總申請量的8.7%。中國作為重要的技術(shù)輸入地，在蔬菜領域國際布局相對較少，在中國受理的蔬菜專利中，國外專利僅有17項，占比為1.72%，分別來自孟都山公司、先正達集團股份有限公司以及塞米尼斯蔬菜種子有限公司。美國專利局授權(quán)的專利中僅有2 項來自中國，占比為4.25%，分別屬于寧夏泰金種業(yè)股份有限公司和天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司。中國和韓國是蔬菜分子育種領域的專利申請大國，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看，中國在蔬菜分子育種研究方面的重視程度更高，在專利戰(zhàn)略方面也做了更有效的布局。

圖3 蔬菜分子育種專利主要國家（地區(qū)）受理量與申請量

不同國家（地區(qū)）蔬菜分子育種技術(shù)專利申請量可以體現(xiàn)該國的研發(fā)能力。從圖3 中可以看出，中國專利申請量為982 項，占全球總申請量的79.4%，位居全球第一；韓國為108 項，占比為8.7%，排名第二；美國為90 項，排名第三。

對照各國家（地區(qū)）的專利受理情況，美國相關(guān)機構(gòu)提交的全球?qū)＠暾埧偭勘缺緡芾砹扛?3 項；歐洲國家的合計申請量為53 項，較受理量高28 項，說明以上國家（地區(qū)）為技術(shù)輸出國家。而中國的專利申請量為982 項，比本國受理量低6項，說明中國受理的專利有一小部分來自于國外機構(gòu)，為專利技術(shù)的輸入國。

2.5 全球蔬菜分子育種專利技術(shù)分類

在蔬菜分子育種專利技術(shù)中，分子標記輔助育種技術(shù)的專利最多，有992 項，占專利申請總量的80.3%；其次是轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因編輯技術(shù)，分別為100 項和75 項；全基因組選擇技術(shù)最少，為28項（圖4）。

圖4 不同技術(shù)在蔬菜分子育種專利的申請情況

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是最先發(fā)展起來的技術(shù)，抗草甘膦的基因在蕓薹屬植物中的大量運用使得轉(zhuǎn)基因技術(shù)專利申請量在2011 年達到一個小高峰。由于轉(zhuǎn)基因技術(shù)具有基因敲除位點不可控、遺傳不穩(wěn)定、外源基因插入不可控以及不可避免插入標記基因等問題，雖然起步較早，但進入21 世紀后被新興的分子標記輔助育種技術(shù)逐步取代。2004 年分子標記輔助育種技術(shù)開始盛行且熱度一直不減，是目前蔬菜分子育種的主要應用技術(shù)。該技術(shù)在品種選育和性狀改良等方面精確度可以達到85%（辛竹琳 等，2022），并且對白菜根腫病、番茄黑腐病等蔬菜中的常見病害進行分子標記已應用于實踐（王立浩等，2016）。2012 年全基因組選擇技術(shù)誕生，且應用越來越廣泛，28 項專利中涉及白菜、菜豆、黃瓜、番茄、馬鈴薯、蘿卜等大宗蔬菜，其中白菜運用此類技術(shù)最多?；蚓庉嫾夹g(shù)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)基因工程育種中遇到的問題有所改善，實現(xiàn)定向、精確、穩(wěn)定的目標（姚祝平 等，2017）?；蚓庉嫾夹g(shù)專利申請量從2016 年開始平穩(wěn)增長，2019 年CRISPR 技術(shù)的出現(xiàn)使其增長更快。番茄和黃瓜是運用基因編輯技術(shù)最多的蔬菜種類，在番茄中有44 項專利，占比為58.67%，其中浙江大學和中國農(nóng)業(yè)大學申請量最多，主要應用于抗蟲、抗病以及品質(zhì)改良等方面。

基因編輯技術(shù)與全基因組選擇技術(shù)專利數(shù)量較少，是目前亟待發(fā)展的方向，因此希望國家投入更多的資金以及出臺更適宜的監(jiān)管機制，促進該領域快速發(fā)展。

2.6 全球不同蔬菜種類分子育種技術(shù)專利的應用

全球蔬菜分子育種技術(shù)專利主要集中于番茄、黃瓜、白菜和辣椒，且番茄上的申請量最多，為234 項。在番茄中分子標記輔助育種技術(shù)占21%，基因編輯技術(shù)占6%，轉(zhuǎn)基因技術(shù)占3%，全基因組選擇技術(shù)僅占1%。其他蔬菜種類專利涉及的各技術(shù)占比情況與番茄相似，分子標記輔助育種技術(shù)運用最多，全基因組選擇技術(shù)運用最少（圖5）。說明在蔬菜分子育種中對于全基因組選擇技術(shù)的布局欠缺，是今后研究工作者的研究方向。

圖5 不同蔬菜種類分子育種技術(shù)專利申請情況

馬鈴薯在世界范圍內(nèi)種植面積很大，但其分子育種領域?qū)＠暾埩績H為36 項，說明馬鈴薯在分子領域的專利布局有所欠缺，這可能是未來研發(fā)者創(chuàng)新的重點領域。

2.7 全球蔬菜分子育種專利主要申請機構(gòu)競爭力分析

由圖6 可知，全球蔬菜分子育種領域?qū)＠暾埩烤忧?5 位的專利權(quán)人中只有6 個屬于國外，中國研究機構(gòu)較為活躍。中國農(nóng)業(yè)科學院以107 項專利居于首位，其次是北京市農(nóng)林科學院、上海交通大學、南京農(nóng)業(yè)大學等?？偟膩砜?，中國的蔬菜分子育種專利申請主體主要是高校和科研院所，而國外的科研力量則主要是公司、企業(yè)。中國的科研轉(zhuǎn)化為成果推廣到市場的周期較長，而國外則時間較短，省去了從科研院所或者高校與公司合作進行推廣的步驟。因此中國應引導企業(yè)提升創(chuàng)新能力，鼓勵科研院所加快成果轉(zhuǎn)化，將優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和技術(shù)盡快推入市場。

圖6 全球蔬菜分子育種專利主要專利權(quán)人（排名居前15 位）及其專利申請量

2.8 全球蔬菜分子育種專利熱點領域分析

從圖7 可以看出，蔬菜分子育種專利主要集中在抗生物脅迫、性狀改良以及方法改進等方面?？股锩{迫方面的專利申請量最多，達到389 項，占比為31.5%，主要涉及抗蟲和抗病方面，抗病類中抗根腫病、抗黑腐病和抗白粉病占大多數(shù)，主要涉及抗病等性狀的載體構(gòu)建、方法改進以及基因鑒定等，其中抗病育種研究的專利最多，占該類的96.1%；性狀改良類研究方面的專利達223 項，位于第2 位，占比為18.0%，主要涉及果實顏色、大小、甜度等；方法改進方面排第3 位，專利達到145 項，占比為11.7%。蔬菜分子育種領域的技術(shù)目標中抗病育種、方法改進、生長發(fā)育以及育性研究是熱點問題，而在多性狀聚合以及多抗性方面的專利布局還有所欠缺，是以后育種工作者的研究方向。

圖7 全球蔬菜分子育種專利熱點領域分布

2.9 國內(nèi)外蔬菜分子育種專利研發(fā)單位競爭力分析

2.9.1 中國知識產(chǎn)權(quán)局專利受理情況 中國蔬菜分子育種專利前10 位專利權(quán)人均來自于中國科研院所和高校（圖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，而且有更多相關(guān)方面的專家作為技術(shù)支撐。另一方面，蔬菜分子育種還在不斷發(fā)展，各個國家對于國外的布局有所欠缺?？傮w來看，中國發(fā)明專利絕大部分在國內(nèi)申請，很少在國外申請，且許多專利不能應用于實踐，僅限于科學研究，整體來說專利質(zhì)量較低，市場化、產(chǎn)業(yè)化能力亟待發(fā)展。

圖8 中國知識產(chǎn)權(quán)局蔬菜分子育種專利受理情況（排名前10）

2.9.2 國內(nèi)外主要研發(fā)單位發(fā)展策略與競爭力分析比較 選定數(shù)量增長、學術(shù)驅(qū)動、質(zhì)量提升、市場推動、合作性、多樣化、專業(yè)化以及國際化8 個方面對各國主要的研究機構(gòu)及公司進行評估，其中數(shù)量增長指標基于專利申請量的年增長率，增長率越高則說明其增長越快；學術(shù)驅(qū)動指的是除專利文獻之外的引用情況，若非專利文獻領域引用較多則認為學術(shù)驅(qū)動能力較差，反之則較強；質(zhì)量提升是指該機構(gòu)擁有高質(zhì)量專利（在同一領域內(nèi)被引用次數(shù)越多，該專利質(zhì)量越高）的比例；市場推動表示引用其專利時間為近幾年，專利市場認可度高，更具市場化潛力；合作化是指與其他企業(yè)或者研究機構(gòu)一起合作研發(fā)專利的程度；多樣化指的是在不同種類的蔬菜中都有專利涉及，蔬菜種類越多說明其多維發(fā)展能力越強；專業(yè)化是指其專利IPC 分類的集中程度，集中程度越高，則專業(yè)化程度越高；國際化是指合作的單位屬于國外的專利占總專利申請量的比例，若比例較高，則說明國際化程度高。

研發(fā)單位選擇上，以中國農(nóng)業(yè)科學院為中國研究機構(gòu)代表，以天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司為中國企業(yè)代表，以陶氏杜邦先鋒公司和先正達集團股份有限公司為大型跨國公司代表，以首爾大學校產(chǎn)學協(xié)力團為國外高校代表。從圖9 可以看出，先正達集團股份有限公司的長處是多樣化、國際化以及專業(yè)化，其他方面優(yōu)勢不明顯，陶氏杜邦先鋒公司與先正達集團股份有限公司的發(fā)展策略相同，充分說明資本集中的跨國公司對未來的專利規(guī)劃以及戰(zhàn)略布局都有較強的系統(tǒng)性和規(guī)劃性。首爾大學校產(chǎn)學協(xié)力團在合作性、多樣化、市場推動中表現(xiàn)出明顯的相對優(yōu)勢，尤其是與其他公司和企業(yè)合作、助推成果轉(zhuǎn)化能力較強。中國農(nóng)業(yè)科學院的蔬菜分子育種專利技術(shù)在數(shù)量增長上有較大突破，且在學術(shù)驅(qū)動方面具有優(yōu)勢，專利引用數(shù)量較高，在IPC領域集中程度較高，專業(yè)性較強，此外，在市場推動方面也有較強優(yōu)勢。天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司則是注重“質(zhì)”的提升，專業(yè)化程度較高，其專利近幾年同一領域的被引量較高，說明該專利更具有市場優(yōu)勢，但該公司的國際合作相對較少，國際化能力亟待提升，今后可以加強與跨國公司的合作交流。

圖9 國內(nèi)外主要研發(fā)單位發(fā)展策略與競爭力分析結(jié)果

3 結(jié)論

3.1 中國專利申請量居于國際領先地位，但質(zhì)量有待提高

全球蔬菜分子育種研發(fā)勢頭強勁，專利申請量處于上升趨勢，中國專利申請量居于國際領先地位，但中國專利的被引量比較低，質(zhì)量不高。同族專利引用較少，參與跨國聯(lián)合研發(fā)的專利十分匱乏，表明中國專利的國際競爭力較差。專利的各研發(fā)單位之間的聯(lián)系不緊密，尤其企業(yè)與高校、科研院所之間應加強合作。

3.2 中國蔬菜分子育種專利的申請主體與國外大相徑庭

全球蔬菜分子育種領域?qū)＠纳暾堉黧w主要集中在中國、韓國和美國，其中中國和韓國的情況較為相似，專利申請的主要單位是科研機構(gòu)，而美國則是以塞米尼斯蔬菜種子公司、陶氏益農(nóng)公司、先正達集團股份有限公司以及陶氏杜邦先鋒公司為首的跨國公司。此外，中國也有較少企業(yè)進行專利申請，如天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司在黃瓜抗病以及雄性不育系方面研究成果突出。

3.3 中國蔬菜分子育種高精尖技術(shù)研究處于起步階段

中國在蔬菜分子育種領域缺乏高精尖技術(shù)。相關(guān)專利中運用較多的是分子標記輔助育種技術(shù)，而對于新興的全基因組選擇技術(shù)以及基因編輯技術(shù)研究尚淺。據(jù)報道，在海南省崖州灣種子實驗室，朱健康團隊運用基因編輯技術(shù)，通過精準編輯葉用萵苣基因上游表達調(diào)控元件，研發(fā)了“高VC”葉用萵苣，使其VC 含量可以與獼猴桃相媲美（李艷玫，2022）。由此可見，高精尖技術(shù)的發(fā)展是必須的，在這方面應做出更好的專利布局。

3.4 蔬菜分子育種專利各國相互布局較少

在中國988 項專利中，僅有17 項為外國專利，且中國向美國申請的專利也僅有2 項。說明在蔬菜分子育種方面各個國家的專利布局都不夠成熟。

4 展望

4.1 分子育種是驅(qū)動中國蔬菜核心種源自主可控的重要技術(shù)

如今中國面臨著新一代的糧食安全問題，在耕地有限的情況下，如何增加產(chǎn)量和提高品質(zhì)是亟待解決的問題，而高質(zhì)量的種子以及種質(zhì)資源是關(guān)鍵所在。為改變中國優(yōu)質(zhì)種子依賴進口、跨國公司壟斷、本土優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源丟失等困境，應將蔬菜核心種源掌握在自己的手中，其中分子育種是重要的技術(shù)驅(qū)動。希望國家投入更多的資金以及出臺更適宜的監(jiān)管機制，促進該領域快速發(fā)展。

4.2 復合性狀是未來蔬菜分子育種的重點方向

分子育種從一開始被用于提高蔬菜的抗旱性、抗病性以及品種單一性狀的改良，到目前已被用于多性狀聚合、多種抗性結(jié)合的蔬菜新品種選育。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)或基因編輯技術(shù)等可以將多個優(yōu)良基因?qū)胪皇卟俗魑?，實現(xiàn)多基因聚合，提高育種效率，也可以利用QTL 位點定位及模塊計算進行分子設計育種。所以，復合性狀育種是現(xiàn)代蔬菜分子育種的重點方向。

4.3 科企深度融合是中國蔬菜分子育種發(fā)展的必由之路

目前，中國蔬菜分子育種的研發(fā)主體力量是科研院所和高校，每年研發(fā)的專利很多，因為其擁有足夠多的人力物力作為支撐。而企業(yè)的人才雖然不及科研院所和高校雄厚，但其有著強有力的推廣策略以及產(chǎn)業(yè)化方式，可以將專利落地，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。由此，應對科企融合做出計劃，促進科技平臺共享，聯(lián)合培養(yǎng)人才，加深科企融合。