論文與專利雙維度視角下分子標記輔助育種發展態勢分析

邵 卓 王婭麗 劉 璐 溫小杰 劉 瑩 王友華

（1 中國農業科學院生物技術研究所，北京 100081；2 沈陽工學院生命工程學院，沈陽 113122）

傳統育種一般是通過對群體中大量個體進行性狀觀測來選育優良后代，這一過程不僅操作繁瑣、耗費時間，而且效率低下。伴隨著植物分子生物學技術在育種方面的快速發展和廣泛應用而誕生的分子標記輔助育種，可有效地解決這些問題[1]。分子標記輔助育種是一項利用與目標基因緊密連鎖或共分離的分子標記，在雜交后代中精準地對不同個體的基因型與表型進行關聯分析，進而輔助選擇的一種育種技術[2]。相比于傳統育種，分子標記輔助育種不僅可以極大地縮短育種年限，提高育種效率，節約大量的人力、物力，且不受時間和環境限制，還可對不同階段及多種環境條件下（溫室、異地等）的樣本進行選擇。尤其是在隱性性狀（如抗病）、遺傳力低的性狀（如產量、抗旱等）、多個抗性基因聚合的性狀以及表型鑒定困難且花費較高的性狀（如加工品質等）選擇方面，分子標記輔助育種比傳統育種具有顯著的優越性[3-7]。在論文與專利雙維度視角下，對分子標記輔助育種發展態勢進行分析，可以對其研發思路、技術創新和應用方向等做出精準定位。此外，基于多樣的論文和專利數據庫進行雙維度分析研究，是目前國家研發資源投放和有關部門進行戰略部署的重要依據。

1 數據來源

本文關于分子標記輔助育種的論文發表情況以科學引文索引數據庫擴展版（湯森路透集團Web of Science）作為數據源，以論文發表日作為采集數據的時間標準，數據更新時間截止到2019 年12 月25日。利用關鍵詞設計檢索式TS=“marker-assisted selection”or“marker assisted selection”or“markerassisted introgression”or“marker assisted introgression”or“marker-assisted breeding”or“marker assisted breeding”or“Marker-aided breeding”or“Marker aided breeding”or“Marker-aided selection”or“Marker aided selection”or“DNA-based marker breeding”or“DNA based marker selection”or“molecular-marker selection”or“molecular marker breeding”or“DNAmarker selection”or“DNA marker breeding”，文獻類型為Article，利用期刊篩選及人工判讀最終選取9201 篇論文作為本次分析的數據集。

分子標記輔助育種領域專利數據來自商業數據庫智慧芽數據庫（PatSnap），以專利申請日作為采集數據的時間標準，數據更新時間截止到2019 年12 月25 日。檢索式同Web of Science 中的檢索式，通過國際專利分類（IPC，International patent classification）篩選和人工篩選，排除與分子標記輔助育種無關的專利，最終得到14342 件專利。

最后，利用Origin 和Adobe Illustrator 對收集到的以上相關數據進行可視化分析。

2 結果與分析

2.1 分子標記輔助育種論文及專利發展趨勢對2000-2019 年分子標記輔助育種的論文發表量以及專利申請量進行分析（圖1）：論文發表量的整體趨勢表現為穩定上升，其中2000-2015 年論文發表量呈持續上升態勢，并于2015 年達到最高值，2015-2017 年出現小幅度下降，2017-2019 年轉為回升勢頭；2000-2015 年專利申請量呈波動上升趨勢，2015-2017 年專利申請量急劇上升并在2017 年達到高峰，數據表明論文發表量和專利申請量增長趨勢基本一致，可見該技術的理論研究和實際應用同步發展。

圖1 分子標記輔助育種相關論文發表量和專利申請量的年度變化趨勢

2.2 重點技術領域分析分子標記輔助育種論文涉及多個領域（表1），在前10 個領域中，涉及最多的為農業領域，論文數量為5231 篇；其次是植物科學領域，論文數量為4271 篇；第三涉及的領域為遺傳學，論文數量為3335 篇；第四涉及的領域為生物技術應用微生物學，論文數量為1086 篇；第五涉及的領域為生物化學與分子生物學，論文數量為770篇，這五大領域論文數量幾乎占總量的95%（為真實反映發表論文在各重點技術領域的分布情況，統計人員將單篇論文對應多個技術領域的數據均納入統計）。除此之外，科學技術其他專題領域、獸醫科學領域、林業領域、海洋淡水生物領域以及生命科學生物醫學領域均有涉及，但占比不高，這說明該技術主要應用領域聚焦于農業育種與生產等方面。

表1 分子標記輔助育種論文涉及的前10 個領域

表2 顯示了分子標記輔助育種主IPC 小組專利申請情況，前10 位中，C12Q1、C12N15 和A01H5為核心技術，除此之外還有A01H1 和C12N5。其中主IPC 小組專利最多的IPC 分類號為C12Q1/68，有2972 項專利，其次為C12N15/11，有2112 項專利。C12Q1 所包括的2 個小組，即C12Q1/68 和C12Q1/6895，共有專利3889 項，分別涉及核酸領域和植物、真菌或藻類領域；C12N15 包括3 個小組，分別是C12N15/11、C12N15/82 和C12N15/09，共有4186 項專利，涉及DNA 或RNA 片段及其修飾領域、植物細胞領域和DNA 重組技術領域；A01H5 包括2 個小組，即A01H5/00 和A01H5/10，這一類別共有2172 項專利，涉及特征在于其植物部分的被子植物（有花植物）、除其植物學分類之外的被子植物領域和種籽領域；A01H1 包括2 個小組，A01H1/04和A01H1/02，共有1422 項專利，分別涉及的領域為選擇的方法和雜交的方法或設備；而C12N5 只有C12N5/10 1 個小組，這一類別擁有640 項專利，涉及的領域為經引入外來遺傳物質而修飾的細胞，如病毒轉化的細胞。從IPC 分布可以看出，目前DNA片段在植物細胞的重組、種籽創新和雜交育種選擇仍是分子標記輔助育種研發的主體。

表2 分子標記輔助育種專利前10 個重點技術領域分布

2.3 各國研發能力分析對論文發表量排名前10的國家進行統計，結果顯示（圖2），中國的論文發表量為2763 篇，占排名前10 位國家論文發表總量的31%，居全球第一；美國的論文發表量為2344 篇，占排名前10位國家論文發表總量的27%，排名第二；印度、澳大利亞、日本和德國分別以756、539、502、491篇論文位列第三、四、五和六，表明中國近年來處于研究高產出狀態，與美國共同占全球58%的研發份額。

由圖3 可以看出論文發表前5 位的國家在2000-2019 年研發能力的發展趨勢：排名第一的中國論文發表數量總體呈現上升趨勢，2000-2007 年呈現平緩上升狀態，2007-2015 年連年快速上升，并在2010 年超越美國，成為論文發表數量最多的國家。緊隨其后的美國是起點最高的國家，在2000-2009 年是論文發表數量最多的國家，論文發表數量在波動中緩慢上升。印度的論文發表數量發展趨勢與美國類似，在2014 年超過澳大利亞，成為論文發表數量排名第三的國家。排名第四的澳大利亞論文發表數量時而上升時而下降，波動平緩，但總體變化量不大。排名第五的日本論文發表數量變化也比較平緩，且自2011 年開始有緩慢下降的趨勢。可見自2007 年之后，中國在該領域發展態勢強勁，論文發表數量在國際研發市場處于領先地位。

圖2 分子標記輔助育種論文發表量排名前10 國家

圖3 論文發表量前5 位國家發文年際變化趨勢

同時，本文對全球專利申請量排名前10 的國家進行統計，如圖4 所示：中國專利申請量為3068件，位居全球第一，在排名前10 國家的專利申請量中占比36%；美國緊隨其后，與中國的專利申請量不相上下，其申請量為3022 件，在排名前10 國家的專利申請量中占比35%；德國、瑞士和法國分別以727 件、346 件、262 件專利排名位于第三、四和五。可知中國與美國在分子標記輔助育種產業化方面并駕齊驅，成為該技術的主要技術創新與技術儲備國家。

圖4 分子標記輔助育種專利申請數量排名前10 國家

圖5 展示了2000-2019 年專利申請量居于世界前5 位國家的專利申請趨勢。中國的專利申請量連年上升，且在2010 年超越美國，成為專利申請量最多的國家。排名第二的美國起點最高，在2010年之前一直處于領先地位，之后逐漸被中國反超，美國的專利申請趨勢波動幅度較大，但仍呈上升趨勢。排名位于第三的德國在2009 年達到高峰之后開始呈現波動下降趨勢。排名位于第四、第五的瑞士和法國，發展趨勢比較平緩，有小幅度波動。表明該技術在中美兩個農業大國的市場前景廣闊，中美是目前全球分子標記輔助育種技術創新的主力軍。

圖5 專利申請量前5 位國家專利申請年際變化趨勢

其中，全球受理專利申請排名前10 位國家或地區專利局分別為中國、美國、世界知識產權組織、澳大利亞、歐洲專利局、西班牙、加拿大、日本、俄羅斯和印度。中國近年在國家項目的大力支持下，在分子標記輔助育種應用方面的研究發展迅猛。目前已在水稻、小麥、玉米、大豆和油菜等主要作物中鑒定了一批與關鍵性狀緊密連鎖的分子標記，在選育后代的技術上取得一系列重大突破[8]。由圖6 可見，中國受理了3261 件專利，占前10 位受理地區專利受理總量的36%，與專利申請量趨平，表示中國分子標記輔助育種技術的“引進來”與“走出去”相當。美國在分子標記輔助育種技術創新上亦取得系列成果，其專利受理量為1403 件，占前10 位受理地區專利受理總量的16%，專利申請量比受理量高出19%，充分體現美國是分子標記輔助育種的技術“輸出國”。作為全球專利布局的重要樞紐，世界知識產權組織在專利技術全球化應用中起著重要作用，分子標記輔助育種相關專利在世界知識產權組織的受理量為954 件，占前10 位受理地區專利受理總量的11%，反應了該技術的國際共享度和活躍度。

圖6 排名前10 位專利受理地區受理量分析

2.4 論文發表與專利申請的研發機構競爭力分析在發表關于分子標記輔助育種的論文中，論文發表量排名前10 位的研發機構均為高校和科研院所。根據圖7a 統計可知：高校的論文發表量為6462 篇，占發表總量的62%；其次為研究所，發表論文3787篇，占發表總量的36%；企業發表數量最少，為189篇，占發表總量的2%。通過論文發表量可知，理論研究的熱點機構主要為高校與科研院所，亦是基礎研究的中堅力量。

在分子標記輔助育種專利申請方面，由圖7b 可知：在排名靠前的機構中企業數量最多，申請的專利數量為9698 件，在所有機構中占比69%；其次是研究所，數量為3325 件，占比24%；高校專利申請數量最少，為1043 件，占比7%，同樣，在專利申請過程中各機構之間也存在合作情況。通過專利申請量可知，企業主要側重保護知識產權用以開拓技術應用市場。

圖7 論文發表機構、專利申請機構分布圖

將分子標記輔助育種的論文發表量和專利申請量對比分析發現，代表基礎研究的高校、科研院所和代表技術創新應用的企業在兩類知識產權產出方面有顯著差異。對論文發表量前10 名的研發單位統計發現，其專利申請總量遠低于論文發表總量（圖8）。其中，美國農業部農業研究局發表775篇論文，位于第一，無專利申請；排名第二的中國農業科學院發表540 篇論文，其專利申請量亦低于論文發表量。對專利申請量前10 名的研發單位統計發現，其論文發表總量遠低于專利申請總量，前6家研發機構中，企業占4 家。其中，EPIGENOMICS AG 專利申請量位于第一，共申請922 件專利，但無論文發表；華中農業大學排名第二，申請量為439件，論文發表數量為230 篇，是該技術領域基礎研究和技術創新并舉的研發機構；AJINOMOTO CO.，INC.排名第三，專利數量為332 件，同樣無論文發表。綜上，分子標記輔助育種的基礎研究主要由高校、科研院所推動，技術創新以企業為主導，部分高校、科研院所共同推進。其中，華中農業大學、中國農業科學院、中國科學院、中國農業大學在著力開展分子標記輔助育種基礎研究的同時，驅動了技術創新，發表論文的同時兼顧了專利技術保護。

3 結論

3.1 分子標記輔助育種領域研發活動呈現活躍態勢利用易于鑒定的遺傳標記特別是分子標記進行輔助育種是提高選擇效率和降低育種不確定性的常用手段。分子標記輔助育種經過20 多年的發展，已經成為一項高效的現代分子育種技術，其優越性必將對作物育種產生深遠的影響，并最終改變傳統育種模式[9]。由于這項技術的優越性，使得該領域受到越來越多的重視，在學術創新方面，論文產出規模連年增長，年度發文量逐年上升；在技術創新方面，專利申請量總體呈上升趨勢。

圖8 專利論文機構對比圖

3.2 分子標記輔助育種技術涉及到各類領域分子標記輔助育種技術在后期應用過程中涉及面很廣，它不僅需要將各種技術工具與目前可用于培育優良品種的相關材料有機結合起來，而且還是一個融合分子生物學、遺傳學、作物育種學、計算機科學和生物信息學等多個學科的綜合工程[10]。其中分子標記輔助育種論文涉及的領域主要以農業、植物學、遺傳學和生物學為主；在專利上主要的研究對象有核酸片段、植物細胞、真菌和藻類。

3.3 分子標記輔助育種越來越受到世界主要國家、國際農業組織及各類機構的重視分子標記輔助育種領域的相關論文發表量和專利申請量均呈增長態勢，雖然各類機構和各個國家所注重的領域不同，但是分子標記輔助育種的整體發展勢頭強勁。分子標記輔助育種研發力量主要集中在中國、美國、加拿大、德國和印度等國家，其中中國論文發表量和專利申請量遙遙領先，體現了我國在分子標記輔助育種領域的基礎研究成果產出顯著，并有效驅動了技術創新，為分子育種產業發展奠定了重要基礎。

3.4 高校和研究機構在分子標記輔助育種中應用的側重點不同在論文發表方面，研究機構和高校在論文發表數量上占有優勢，其中美國農業部農業研究局、中國農業科學院、南京農業大學、華中農業大學和中國科學院占有重要地位。在專利申請方面，中國、美國、德國、瑞士和法國是專利申請總數最多的國家，其中企業在專利申請總量中占比最大。由此可見，文章發表和專利申請的情況在高校與企業中剛好呈現出相反態勢，這可能是因為高校更注重基礎研究，而企業更追求研究的產出效益。隨著世界各國技術壁壘的加劇，通過專利實現技術創新的保護越發重要，高校、科研院所在開展基礎研究的同時亦應當加強相關領域專利保護力度。

4 展望

4.1 分子標記輔助育種技術將逐漸成熟科學研究的發展不僅反映在理論和技術方法的不斷發展完善方面，也反映在科技文獻以及專利數量的增長方面。隨著分子生物學研究的快速推進和不斷深化，原來的各種分子標記已經不能滿足育種的需要，新的分子標記將向更大規模、更多位點的方向發展，并具有重復性好、密度高和操作簡單等優點。同時，基因芯片、生物信息學和蛋白質組學等新學科、新技術與分子標記研究相結合，以及分子生物學與基因組學等學科的突破性進展均加速了分子標記輔助育種的研究進程。近年來，低成本、高效率的測序技術使得全基因組大規模測序成為可能，從而形成了基于全基因組策略的分子選擇育種[11]。許多農業科技發達國家或地區、國際農業組織和國際大型農業科技公司都特別重視作物分子標記的開發、鑒定以及育種應用，并在國家和地區層面的項目規劃中布局和資助了相關研究，如歐盟框架計劃[12]、美國國家植物基因組計劃（NPGI）[13]和英國生物技術與生物科學研究理事會（BBSRC）[14]等。隨著分子標記輔助育種技術在育種產業上的應用不斷推進，技術專利在美國、加拿大、澳大利亞、俄羅斯等農業大國的國際化布局還將不斷拓展。

4.2 分子標記輔助育種進行的研究和培育將越來越多樣化目前分子標記輔助育種通常被用以提高作物的抗旱性和抗病性，在水稻、玉米和小麥等糧食作物中應用最為廣泛。在抗旱性方面，可較好地應用于作物抗旱基因的標記輔助選擇；在抗病性方面，小麥赤霉病、水稻白葉枯病及白粉病等致病機理與綜合防治是研究的熱門領域。在進行作物育種時，利用基因聚合育種技術和基因混合育種技術分別與分子標記輔助育種相結合，可將多個優良基因導入同一目標品種，提高育種效率。目前，分子標記輔助育種主要用于連鎖圖譜構建、數量性狀改良、目標基因與分子標記的連鎖定位及其對育種的影響分析[1]。采用的分子標記技術也呈現多樣化，例如隨機擴增多態性DNA（RAPD，Random amplified polymorphic DNA）、擴增片段長度多態性（AFLP，Amplified fragment length polymorphism）、簡單重復序列（SSR，Simple sequence repeats）、單核苷酸多態性（SNP，Single nucleotide polymorphism）、限制性片段長度多態性（RFLP，Restriction fragment length polymorphism）、序列標簽位點（STS，Sequence tagged sites）和簡單重復序列間隔（ISSR，Inter-simple sequence repeats）等。分子標記輔助育種作為一種高效的現代分子育種技術，其研發領域逐漸成為人們的關注熱點，相關論文發表和專利申請數量將持續增長。在今后，隨著這方面研究的不斷深入，分子標記輔助育種亦將采用更加多樣化的標記技術，為作物育種作出更大貢獻。