基于全球黃瓜分子育種專利技術(shù)的創(chuàng)新態(tài)勢分析

摘" " 要：為研究黃瓜分子育種領(lǐng)域的全球?qū)＠l(fā)展趨勢、研發(fā)熱點、區(qū)域分布和技術(shù)布局，揭示黃瓜分子育種的創(chuàng)新態(tài)勢，筆者的研究基于德溫特創(chuàng)新索引國際專利數(shù)據(jù)庫（DII），借助DDA分析工具對1987—2022年全球黃瓜分子育種技術(shù)發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行了歸納分析。結(jié)果表明，黃瓜分子育種技術(shù)整體呈快速發(fā)展的趨勢；植物基因工程與遺傳育種是各大技術(shù)布局的核心；中國的申請量最多，美國申請量第二；孟山都、先正達(dá)、拜爾以及陶氏、巴斯夫等國際育種巨頭企業(yè)均在主要國家進(jìn)行了專利布局，中國在該領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量較多，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、上海交通大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)以及南京農(nóng)業(yè)大學(xué)4家機(jī)構(gòu)入圍全球前10；深入分析表明，種質(zhì)鑒定與創(chuàng)新、抗生物脅迫、方法改進(jìn)與技術(shù)革新是黃瓜分子育種技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)前的研發(fā)熱點。綜上，分子育種是黃瓜育種領(lǐng)域的前沿技術(shù)，發(fā)展速度快，種質(zhì)材料創(chuàng)新、抗性與技術(shù)革新是研發(fā)熱點，我國的專利申請量和研究機(jī)構(gòu)最多，是全球最受重視的技術(shù)市場。這些研究結(jié)果可為我國在黃瓜生物育種技術(shù)領(lǐng)域合理部署、完善知識產(chǎn)權(quán)布局提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞： 黃瓜； 分子育種； 專利技術(shù)； 態(tài)勢分析

中圖分類號： S642.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B 文章編號： 1673-2871（2024）02-143-07

Innovation situation analysis based on global patent technology of cucumber molecular breeding

WANG Lingyan， PENG Dong， HU Xiaoqiang， LI Junli， WU Jiajing， ZHU Hongcai

（Xinxiang Academy of Agricultural Sciences， Xinxiang 453000， Henan， China）

Abstract： In order to study the global patent development trend， research and development hot spots， regional distribution and technical layout in the field of cucumber molecular breeding， and reveal the innovation trend of cucumber molecular breeding， this paper summarizes and analyzes the global development trend of cucumber molecular breeding technology from 1987 to 2022 based on Derwent Innovation Index International Patent Database（DII） with the help of DDA analysis tool. The results show that， the molecular breeding technology of cucumber is developing rapidly. Plant genetic engineering and genetic breeding are the core of each technology layout. China has the largest number of applications， with the US being the second. Monsanto， Syngenta， Bayer ， Dow， BASF， etc. have all carried out patent layout in major countries， and China has a relatively large number of patents in this field， with Chinese Academy of Agricultural Sciences， Shanghai Jiaotong University， China Agricultural University and Nanjing Agricultural University among the top 10 institutions in the world. In-depth analysis shows that germplasm identification and innovation， resistance to biological stress， method improvement and technology innovation are the research and development hotspots in the field of molecular breeding technology of cucumber. In conclusion， molecular breeding is the preface technology in the field of cucumber breeding， with a rapid development trend. The innovation of germplasm materials， resistance and technological innovation are the hot spots of research and development. China has the largest number of patent applications and research institutions， making it the most valued technology market in the world. The results of this study provide a reference for the rational deployment of cucumber biological breeding technology and the improvement of intellectual property distribution in China.

Key words： Cucumber; Molecular breeding; Patented technology; Situation analysis

黃瓜（Cucumis sativus L.）屬葫蘆科一年生草本植物，在世界范圍內(nèi)廣泛栽培，在全球蔬菜供應(yīng)中具有舉足輕重的地位[1-2]。2020年全球黃瓜種植面積約225萬hm2[3]，其中，中國黃瓜產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的70%。分子育種技術(shù)可以實現(xiàn)基因的直接選擇和有效聚合，大幅度提高育種效率，縮短育種年限，實現(xiàn)“精確育種”[4-5]。我國在水稻（Oryza sativa L.）、玉米（Zea mays L.）、大豆[Glycine max （L.） Merr.]、棉花（Gossypium herbaceum L.）、番木瓜（Carica papaya L.）等農(nóng)作物，以及畜禽疫苗的轉(zhuǎn)基因技術(shù)研發(fā)方面，已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展[6]。2009年，我國主持完成黃瓜全基因組的測序和分析[7]。

美國、日本、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家注重對功能基因的分析、挖掘、利用以及分子機(jī)制的研究，在水稻、小麥（Triticum aestivum L.）、玉米、棉花和大豆等作物上擁有的基因?qū)＠麛?shù)量超過全球總數(shù)的70%[8-9]。黃瓜是我國園藝作物中鮮少依賴外國品種的作物，為進(jìn)一步把握我國黃瓜種業(yè)發(fā)展的主動權(quán)，持續(xù)領(lǐng)跑國際黃瓜產(chǎn)業(yè)的國際領(lǐng)先地位，我國眾多科研單位在黃瓜基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展和顯著成就，如南京農(nóng)業(yè)大學(xué)[10]開展了黃瓜分子育種研究，在種間雜交和漸滲育種、單倍體/雙單倍體培養(yǎng)、目標(biāo)基因的發(fā)掘與應(yīng)用，以及優(yōu)良品種的選育與應(yīng)用等方面取得了突破性進(jìn)展。上海交通大學(xué)[11]構(gòu)建了6張高質(zhì)量的黃瓜分子標(biāo)記遺傳圖譜，并不斷更新，一直是國內(nèi)外黃瓜領(lǐng)域最有代表性的分子標(biāo)記遺傳圖譜。共檢測了包括花、果實、側(cè)枝、抗病性等18個相關(guān)性狀的130 quantitative trait locus（QTL）。對黃瓜的性型、果瘤、抗白粉病、表皮毛等4個性狀進(jìn)行了精細(xì)定位，并首次圖位克隆和鑒定了這些基因的功能。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)[12]針對西瓜、黃瓜等瓜類作物育種中的瓶頸問題和關(guān)鍵技術(shù)難題，重點圍繞株型、抗逆、品質(zhì)等性狀的優(yōu)異基因定位和分子育種技術(shù)開展研究，已精細(xì)定位到多個與株型、耐低溫和品質(zhì)等相關(guān)的基因，為瓜類作物輕簡化生產(chǎn)和品質(zhì)育種提供了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基因資源。

專利作為技術(shù)信息最有效的載體，能夠更好地揭示技術(shù)創(chuàng)新程度，囊括了全球90%以上的最新技術(shù)情報[13-14]。因此，對黃瓜分子育種技術(shù)領(lǐng)域的專利分析有利于研發(fā)人員了解該技術(shù)的創(chuàng)新情況、成熟狀況以及發(fā)展前景等。筆者基于德溫特創(chuàng)新索引國際專利數(shù)據(jù)庫（Derwent innovations index，DII），利用德溫特數(shù)據(jù)分析軟件（Derwent data analyzer，DDA），通過對1987—2022年全球黃瓜分子育種專利進(jìn)行深入分析，全面了解該領(lǐng)域發(fā)展趨勢、研發(fā)熱點、區(qū)域分布和技術(shù)布局。以期為我國政府和科研部門制定發(fā)展規(guī)劃提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)集構(gòu)建及分析工具

1.1 數(shù)據(jù)來源

分析數(shù)據(jù)源自湯森路透公司推出的德溫特創(chuàng)新索引國際專利數(shù)據(jù)庫（DII），該數(shù)據(jù)庫合并了德溫特世界專利索引（Derwent world patents index，DWPI）與德溫特專利引文索引（Derwent patents citation index，DPCI）。可以通過DII數(shù)據(jù)庫檢索專利文獻(xiàn)以及專利引用情況，也可以使用Derwent Chemistry Resources（德溫特化學(xué)資源數(shù)據(jù)庫）進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)式檢索。數(shù)據(jù)可回溯至1963年。

1.2 檢索條件

采用主題詞的方式進(jìn)行檢索，在DII數(shù)據(jù)庫中，利用檢索式：TS=cucumber* and （molecular near/1 breed* or “molecular mark*” or“ transgen*”or “gene edit*” or “genome* select*”）進(jìn)行檢索。共得到全球黃瓜分子育種技術(shù)945個專利家族。關(guān)鍵詞選取包括：申請年份、IPC分類、國家地區(qū)分類等。檢索數(shù)據(jù)的時間跨度為1987年1月1日至2022年12月31日。數(shù)據(jù)檢索日期2023年2月17日。

1.3 分析工具

借助科睿唯安公司的德溫特數(shù)據(jù)分析工具（Derwent data analyzer，DDAV11），將論文數(shù)據(jù)導(dǎo)入DDA軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗等操作并導(dǎo)出數(shù)據(jù)作圖分析。對全球黃瓜分子育種專利技術(shù)創(chuàng)新現(xiàn)狀及態(tài)勢進(jìn)行分析研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 全球黃瓜分子育種專利的發(fā)展趨勢分析

黃瓜分子育種技術(shù)專利申請趨勢如圖1所示。從整體時序分布上看，國際黃瓜分子育種相關(guān)核心專利于1987年開始出現(xiàn)，申請量整體呈上升趨勢。1987—1998年為萌芽階段，年度申請數(shù)量較少，年均不超過4項，僅占全部申請量的2.63%；1999—2014年處于波浪式上升階段，專利申請數(shù)量大幅提升，年均55項，2014年最多，105項，此期占比57.33%；2015年之后申請數(shù)量稍有下降。此外，由于專利自申請到公開存在一定的滯后期，所以，2020—2022年數(shù)據(jù)僅供參考。

2.2 全球黃瓜分子育種專利重點技術(shù)領(lǐng)域分析

按照國際專利分類號（International Patent Classification，IPC）對技術(shù)領(lǐng)域分類進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)1987—2022年全球黃瓜分子育種IPC小組專利申請量統(tǒng)計結(jié)果（表1），研發(fā)熱點排名前10的相關(guān)技術(shù)涉及較多分支領(lǐng)域，主要集中于C12N-015/82、A01H-005/00、C12N-015/29、A01H-001/00、C07K-014/415、A01H-005/10、C12N-005/10、C12N-015/11、C12N-005/04、C12Q-001/68等領(lǐng)域。從IPC分布可以看出，目前在植物基因工程與遺傳育種、植物種質(zhì)資源與改良、品質(zhì)改良基因的檢測與表達(dá)等方面是黃瓜分子育種研究領(lǐng)域的重點。

對重點領(lǐng)域的專利申請量進(jìn)行統(tǒng)計分析（圖2），C12N-015/82和A01H-005/00兩個類別在領(lǐng)域中發(fā)展最快，從1997年開始申請量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他類別，充分說明植物基因工程與遺傳育種、植物種質(zhì)資源與改良是遺傳育種技術(shù)的關(guān)鍵，且植物基因工程與遺傳育種是各大技術(shù)布局的核心。

2.3 全球黃瓜分子育種專利主要申請國家（地區(qū)）分析

不同國家（地區(qū)）專利申請量可以體現(xiàn)該國的研發(fā)能力。由圖3可以看出，全球黃瓜分子育種專利申請量排名前10的國家/地區(qū)依次為中國、美國、歐洲、澳大利亞、巴西、加拿大、日本、韓國、印度和墨西哥。其中，中國以479項（占比22.15%）專利位居首位，美國以470項（占比21.73%）排列第二，二者占比達(dá)43.88%。可以看出，中國和美國在黃瓜分子育種專利技術(shù)方面具有顯著優(yōu)勢，是主要的技術(shù)來源國，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看，這兩個國家的重視程度更高，在專利戰(zhàn)略方面也作了更有效的布局。

此外，歐洲（239項，占比11.05%）、澳大利亞（177項，占比8.18%）、巴西（158項，占比7.30%）、加拿大（151項，占比6.98%）、日本（139項，占比6.43%）、韓國（120項，占比5.55%）、印度（119項，占比5.50%）、墨西哥（111項，占比5.13%）在該領(lǐng)域內(nèi)核心專利量也相對較多。

2.4 全球黃瓜分子育種專利技術(shù)分類

從圖4可以看出，黃瓜分子育種專利技術(shù)中，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的專利最多，有770項，占專利申請總量的81.5%；其次是分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)，有161項，占17.0%；黃瓜在世界范圍內(nèi)種植面積很大，基因編輯技術(shù)僅有31項，說明在該領(lǐng)域的專利布局有所欠缺，基因編輯技術(shù)“創(chuàng)造變異”是彎道趕超的前沿技術(shù)，這可能是未來研發(fā)者創(chuàng)新的重點領(lǐng)域。全基因組選擇技術(shù)最少，僅有3項，是目前亟待發(fā)展的方向。

自1986年Trulson等[15]首次成功獲得轉(zhuǎn)基因黃瓜材料以來，Nishibayashi等[16]、Lee等[17]、劉文萍等[18]、白吉剛等[19-20]、魏愛民等[21-22]、李泠等[23]、賴來等[24]、張文珠等[25]、李遠(yuǎn)新等[26]、王翠艷等[27]通過遺傳轉(zhuǎn)化方法對外植體導(dǎo)入外源目的基因，獲得轉(zhuǎn)基因黃瓜材料，在抗逆境、抗病蟲害及優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)等方面取得新突破。

分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)已滲透到黃瓜遺傳育種研究的各個方面，如顧興芳等[28]、李宗揚等[29]、苗晗等[30-33]、李恒松等[34]、丁國華等[35]的研究都有涉及。與小麥、水稻[36]等作物相比，黃瓜分子標(biāo)記研究進(jìn)程相對緩慢。

2.5 全球黃瓜分子育種專利主要申請機(jī)構(gòu)競爭力分析

根據(jù)黃瓜分子育種相關(guān)專利權(quán)人的統(tǒng)計情況（表2），其中孟山都科技公司、拜耳作物科學(xué)公司等機(jī)構(gòu)是該領(lǐng)域?qū)＠暾埩烤忧?5位的專利權(quán)人。在這15個專利權(quán)人中，從所屬國家來看，來自美國的有5個、中國的有4個、德國的有2個、荷蘭的有2個、瑞士的有1個、韓國的有1個。從專利權(quán)人性質(zhì)來看，有10個是企業(yè)，3個是高校，1個是研究機(jī)構(gòu)，1個是政府機(jī)構(gòu)。美國農(nóng)業(yè)部將孟山都、杜邦、先正達(dá)以及拜爾、陶氏、巴斯夫合稱為“六巨頭”（big six），它們的共同特點是在農(nóng)作物種子和農(nóng)業(yè)化工兩個領(lǐng)域都有強(qiáng)大的技術(shù)實力和重要的市場地位。因此，美國和德國的科研產(chǎn)出較為集中。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所在黃瓜種質(zhì)資源和遺傳育種研究、生物技術(shù)育種研究等方面取得了一系列重要進(jìn)展和成果。“中農(nóng)”黃瓜系列新品種的育成，推動了我國黃瓜遺傳育種研究的發(fā)展。可以看出，當(dāng)前科研院所和高校仍是我國黃瓜分子育種領(lǐng)域的主力，擁有較強(qiáng)研究實力。

2.6 黃瓜分子育種領(lǐng)域熱點研究

從圖5可以看出，黃瓜分子育種專利主要集中在種質(zhì)鑒定與創(chuàng)新、抗生物脅迫、方法改進(jìn)與技術(shù)革新等方面。種質(zhì)鑒定與創(chuàng)新方面的專利申請量最多，為314項，占比34.02%，主要涉及轉(zhuǎn)基因植株、雄性不育系、新種質(zhì)材料、自交系和新雜交種方面，其中轉(zhuǎn)基因植株研究的專利最多，占該類的46.82%；抗生物脅迫方面的專利有167項，位居第2，占比18.09%，主要涉及抗除草劑、抗蟲和抗病方面；方法改進(jìn)與技術(shù)革新方面排第3，專利達(dá)到139項，占比為15.06%，主要涉及新的分子標(biāo)記與分子標(biāo)記輔助育種、重組載體、重組多核苷酸、植株再生方面。另外，基因與氨基酸序列主要涉及新的核酸（分子）、核酸序列、（特定）氨基酸序列、單基因座轉(zhuǎn)換、（特定）堿基對序列等方面；農(nóng)藝性狀改良主要涉及果實、產(chǎn)量、第一坐果節(jié)位、側(cè)芽等方面；品質(zhì)改良主要涉及脂肪酸代謝修飾、綠肉、碳水化合物代謝修飾、活性成分等方面。

3 討論與結(jié)論

3.1 專利技術(shù)創(chuàng)新點

分析發(fā)現(xiàn)，全球黃瓜分子育種專利技術(shù)申請量整體呈上升的態(tài)勢，2014年申請量達(dá)最高值。從IPC分布可以看出，C12N-015/82和A01H-005/00兩個類別發(fā)展最快，充分說明植物基因工程與遺傳育種、植物種質(zhì)資源與改良是遺傳育種技術(shù)的關(guān)鍵，且植物基因工程與遺傳育種是各大技術(shù)布局的核心。黃瓜分子育種領(lǐng)域的技術(shù)目標(biāo)中轉(zhuǎn)基因育種、分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)是熱點問題，缺乏最近幾年新興的全基因組選擇技術(shù)、基因編輯技術(shù)等。

中國、美國、歐洲等為國際主要技術(shù)創(chuàng)新國家（地區(qū)），且中、美兩國是黃瓜分子育種最主要的研發(fā)國家。中國是以高校、科研院所為研發(fā)主體，以企業(yè)為市場主體進(jìn)行科技創(chuàng)新和推廣應(yīng)用的趨勢尚未形成，美國的研發(fā)主體則是以孟山都科技公司、塞米尼斯蔬菜種子公司、康奈爾研究基金公司、孟德爾生物技術(shù)公司以及陶氏益農(nóng)公司等大型跨國集團(tuán)為主。

3.2 發(fā)展建議

中國是全球第二大種質(zhì)資源國，資源總量超過52萬份。在分子育種技術(shù)方面，中國還有很大發(fā)展空間。

3.2.1 加快構(gòu)建商業(yè)化育種體系，實現(xiàn)種業(yè)跨越式發(fā)展 中國種企規(guī)模小，格局分散，國家應(yīng)給予種業(yè)企業(yè)財政支持做風(fēng)險投資，促進(jìn)企業(yè)之間、種業(yè)市場的有效競爭。2016年8月，安徽荃銀高科種業(yè)股份有限公司響應(yīng)農(nóng)業(yè)部號召，與中國科學(xué)院韓斌院士團(tuán)隊等6家國內(nèi)生物育種研究領(lǐng)域頂尖專家團(tuán)隊組建的國家水稻商業(yè)化分子育種技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，聯(lián)盟整合科學(xué)家資源系統(tǒng)建設(shè)中國特色設(shè)計育種體系，打造民族種業(yè)“中國芯”。2023年4月，先正達(dá)集團(tuán)中國發(fā)布性狀品牌“愛豐碩”，發(fā)力生物育種賽道，我國的高等院校、科研院所和種業(yè)企業(yè)以此為契機(jī)，通過科學(xué)分工、高效協(xié)作、優(yōu)勢互補(bǔ)，提高種業(yè)技術(shù)創(chuàng)新質(zhì)量和效率。

3.2.2 加強(qiáng)我國產(chǎn)學(xué)研合作以促進(jìn)高校科研成果轉(zhuǎn)化 與國際先進(jìn)水平相比，我國種業(yè)的研發(fā)能力和研發(fā)水平仍然存在較大差距，對基礎(chǔ)性、長期性、戰(zhàn)略性研究重視不足。現(xiàn)代種業(yè)已進(jìn)入智能化育種4.0時代，實現(xiàn)基礎(chǔ)前沿技術(shù)原創(chuàng)性突破須充分發(fā)揮科研院校作為基礎(chǔ)研究主力軍的作用。分子育種技術(shù)更是長期只存在于高校院所的實驗室內(nèi)，由于高校一般都不具有產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力，很大一部分高價值專利并沒有進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化，育種研發(fā)與市場脫節(jié)，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化不足。科研院所擁有最豐富的育種資源和育種人才，引導(dǎo)科研院所育種人才、技術(shù)、材料等育種資源向企業(yè)流動，加強(qiáng)我國產(chǎn)學(xué)研合作以促進(jìn)高校科研成果轉(zhuǎn)化。最終通過“需求-研發(fā)-支撐”的市場化機(jī)制，推動中國種業(yè)由大到強(qiáng)。

3.2.3 調(diào)整專利的技術(shù)領(lǐng)域構(gòu)成 專利的技術(shù)構(gòu)成決定了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。我國必須制定相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)政策，積極鼓勵、引導(dǎo)、扶持企業(yè)的專利研發(fā)，加強(qiáng)我國專利技術(shù)的薄弱領(lǐng)域。分子育種，為農(nóng)業(yè)“刻劃”出無數(shù)具備新性狀的新品種。

目前，黃瓜分子育種運用較多的是轉(zhuǎn)基因技術(shù)、分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)，缺乏最近幾年新興的全基因組選擇技術(shù)、基因編輯技術(shù)等。要加大具有重要育種價值的基因挖掘和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析研究力度；要在高通量大規(guī)模基因分型技術(shù)、基因編輯技術(shù)、大孢子培養(yǎng)技術(shù)方面盡快實現(xiàn)突破；要強(qiáng)化抗重大和新型病害育種、優(yōu)質(zhì)育種、適合輕簡化栽培育種、國外品種替代等方面的工作。

如何把優(yōu)良的基因發(fā)掘、鑒定出來，如何進(jìn)一步地雜交、分離、重組、篩選，如何對數(shù)以萬計的基因重新“排列組合”，這些難題，還有待中國產(chǎn)業(yè)界、科研界共同努力，逐步提高農(nóng)業(yè)生物品種的種植面積。

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