全球抗草甘膦基因?qū)＠治雠c技術(shù)展望

岳榮生 程興茹 李俊 唐巧玲 康宇立 王友華

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京 100081；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，青島 266000）

在農(nóng)作物的生長(zhǎng)過(guò)程中，雜草的出現(xiàn)會(huì)在空間上與農(nóng)作物競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)光、水分和營(yíng)養(yǎng)，從而降低農(nóng)作物的產(chǎn)品質(zhì)量并導(dǎo)致其產(chǎn)量減少［1］。在農(nóng)作物栽培過(guò)程中廣泛使用除草劑，可大幅減少除草的勞動(dòng)量，降低雜草帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失［2］。自1971年拜耳孟山都公司研發(fā)的草甘膦類除草劑問(wèn)世以來(lái)［3］，商品用草甘膦“農(nóng)達(dá)”（Roundup）多次位居全世界農(nóng)藥品種銷(xiāo)售額的榜首。草甘膦是一種應(yīng)用廣泛的廣譜、低毒與內(nèi)吸傳導(dǎo)的滅生性除草劑，能夠有效地去除一年生雜草以及靠根系繁殖的多年生雜草，但對(duì)雜草和農(nóng)作物無(wú)選擇性，在殺死植物地上部分的同時(shí)還可以斬草除根。研發(fā)對(duì)草甘膦具有抗性的農(nóng)作物是有效解決農(nóng)作物精準(zhǔn)除草問(wèn)題的重要路徑。

20世紀(jì)80年代初期世界第一例抗除草劑轉(zhuǎn)基因煙草成功研制后，轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化程度加強(qiáng)，現(xiàn)在已經(jīng)利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)在全球培育種植了將近300 余種抗除草劑植物品種，抗草甘膦作物也成為一種普遍的種植需求，抗草甘膦成為所有抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物性狀中的主流性狀［4-5］。目前利用最廣泛的抗草甘膦基因的主要類型是5-烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶（EPSPS）基因。EPSPS 是植物細(xì)胞器葉綠體中的一種酶，可以催化合成芳香族氨基酸，EPSPS 的功能會(huì)受到草甘膦競(jìng)爭(zhēng)性抑制，導(dǎo)致蛋白質(zhì)在葉綠體類囊體薄膜上合成受阻，使葉綠體受到結(jié)構(gòu)性損傷，進(jìn)而破壞了葉綠體功能。拜耳孟山都公司從鼠傷寒沙門(mén)氏菌克隆獲得了編碼EPSPS的aroA基因，這種EPSPS 與草甘膦的結(jié)合活性較弱，在草甘膦處理下仍能發(fā)揮功能，因此可以產(chǎn)生對(duì)草甘膦的抗性［6］。其他抗草甘膦基因還包括：倫敦威斯康星大學(xué)帝國(guó)化學(xué)學(xué)院從木糖氧化產(chǎn)堿菌和假單胞菌中克隆出的草甘膦降解酶基因（SC9和SC11）［7］，拜耳孟山都公司從人蒼白桿菌中發(fā)現(xiàn)了草甘膦氧化還原酶基因（gox）［8］，陶氏杜邦先鋒公司從地衣芽孢桿菌中克隆出的草甘膦-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶基因（gat）［9］。

專利分析對(duì)精準(zhǔn)掌握未來(lái)科學(xué)技術(shù)研發(fā)方向必不可少，尤其是在產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)研究、技術(shù)研發(fā)預(yù)測(cè)等方面具有非常重要的參考意義。利用專利數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度信息剖析［10-12］，是目前各國(guó)科研機(jī)構(gòu)和決策部門(mén)在某一領(lǐng)域進(jìn)行戰(zhàn)略規(guī)劃的重要依據(jù)。為全面了解全球抗草甘膦基因的研發(fā)態(tài)勢(shì)，本文檢索了世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織、歐洲專利局及包括美國(guó)、中國(guó)等在內(nèi)的126 個(gè)國(guó)家和地區(qū)收錄的抗草甘膦基因?qū)＠募?，分析了抗草甘膦基因的整體發(fā)展脈絡(luò)、技術(shù)領(lǐng)域分布及研發(fā)布局熱點(diǎn)，以便為抗草甘膦基因研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)，同時(shí)，還結(jié)合歷年專利申請(qǐng)情況對(duì)未來(lái)抗草甘膦基因的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 數(shù)據(jù)信息來(lái)源及分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本論文中抗草甘膦基因?qū)＠麛?shù)據(jù)來(lái)源于智慧芽（PatSnap）全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫(kù)，專利申請(qǐng)年為1983-2020年。檢索詞限定字段為標(biāo)題/摘要和權(quán)利要求，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2020年12月31日18 點(diǎn)。檢索式為：（抗草甘膦OR 耐草甘膦OR 草甘膦耐性O(shè)R 草甘膦抗性O(shè)R antiglyphosate OR glyphosatetolerance OR glyphosatetolerant OR glyphosateresistant OR glyphosateresistance OR 草甘膦降解酶OR 草甘膦氧化還原酶ORgoxORSC9ORSC11OR 草甘膦-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶ORGLYATOR EPSPS OREPSPOR 5-烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶OR 5-enolpyruvyl-shikimate-3-phosphatesynthase ORaroAORgat）AND（gene OR 基因）。為保持專利技術(shù)分析內(nèi)容的一致性，本文對(duì)抗草甘膦基因?qū)＠M(jìn)行了人工清洗。

1.2 分析方法

1.2.1 抗草甘膦基因?qū)＠虬l(fā)展趨勢(shì)分析 計(jì)量的主要內(nèi)容包括全球抗草甘膦基因?qū)＠l(fā)展趨勢(shì)、重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域、重點(diǎn)受理國(guó)家地區(qū)、不同國(guó)家機(jī)構(gòu)研發(fā)能力、主要申請(qǐng)機(jī)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)力、抗草甘膦基因在作物中的商業(yè)化應(yīng)用、抗草甘膦基因的性狀疊加、國(guó)內(nèi)外主要研發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)展策略與競(jìng)爭(zhēng)力比較分析。

1.2.2 國(guó)內(nèi)外抗草甘膦基因?qū)＠谋容^分析 比較重點(diǎn)國(guó)家的專利受理情況、主要研發(fā)單位發(fā)展策略與競(jìng)爭(zhēng)力。主要研發(fā)單位選定國(guó)內(nèi)科研單位及大型公司各1 家，國(guó)外大型公司2 家，并購(gòu)重組的公司按1 家來(lái)計(jì)算，以合作性、國(guó)際化程度、多樣化程度、專業(yè)化程度、學(xué)術(shù)驅(qū)動(dòng)力、市場(chǎng)推動(dòng)力、質(zhì)量提升率、數(shù)量增長(zhǎng)率8 個(gè)指標(biāo)作為比較研發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)展策略和競(jìng)爭(zhēng)力的標(biāo)準(zhǔn)［13］。

合作性指標(biāo)基于合作研發(fā)的情況，即合作申請(qǐng)的專利數(shù)量比例。國(guó)際化指標(biāo)基于發(fā)明者所在的區(qū)域或國(guó)籍的情況，即跨國(guó)家申請(qǐng)專利占申請(qǐng)總數(shù)的比例。多樣化指標(biāo)是基于不同技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)所占的比例，占比越高代表研發(fā)的多樣性越強(qiáng)。專業(yè)化指標(biāo)是基于該研發(fā)機(jī)構(gòu)IPC 分類的集中化程度，越集中代表研發(fā)領(lǐng)域的專業(yè)性越強(qiáng)。數(shù)量增長(zhǎng)指標(biāo)基于專利數(shù)量的年增長(zhǎng)率，體現(xiàn)單位研發(fā)戰(zhàn)略是否比其他單位更注重“量”的發(fā)展。學(xué)術(shù)驅(qū)動(dòng)指標(biāo)是基于對(duì)非專利文獻(xiàn)的引用程度，可以體現(xiàn)該研發(fā)單位在學(xué)術(shù)領(lǐng)域的合作是否緊密。市場(chǎng)推動(dòng)指標(biāo)基于引用專利的年份，如果引用的其他專利均為近幾年的專利，則認(rèn)為該研發(fā)機(jī)構(gòu)的專利更加市場(chǎng)化。質(zhì)量提升指標(biāo)基于擁有高質(zhì)量專利的比例（在同一領(lǐng)域內(nèi)被引用次數(shù)較高的專利為高質(zhì)量專利），體現(xiàn)研發(fā)中是否重視“質(zhì)”的提升。

1.2.3 分析方法與統(tǒng)計(jì) 本文使用MSOffice 辦公軟件對(duì)專利數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量分析，使用維恩圖在線制作網(wǎng)站（http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/Venn/）對(duì)復(fù)合性狀專利進(jìn)行分析對(duì)比。

2 結(jié)果與分析

2.1 全球抗草甘膦基因?qū)＠暾?qǐng)情況

檢索得到1 310 條記錄，按申請(qǐng)?zhí)柡喜?，得? 194 件專利，經(jīng)過(guò)人工清洗刪除250 件無(wú)關(guān)專利，最終得到抗草甘膦基因?qū)＠?44 件。

2.2 全球抗草甘膦基因?qū)＠l(fā)展趨勢(shì)分析

1983-2020 年間，全球抗草甘膦基因?qū)＠纳暾?qǐng)和授權(quán)數(shù)量經(jīng)歷了平穩(wěn)上升、快速增長(zhǎng)和急速下降三個(gè)不同的階段?？共莞熟⒒?qū)＠晟暾?qǐng)量在1983-1996年平穩(wěn)上升，相關(guān)專利年度申請(qǐng)和授權(quán)數(shù)量較少，呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，該階段正處于抗草甘膦基因的首個(gè)專利申請(qǐng)至抗草甘膦作物首次商業(yè)化種植期間，世界各國(guó)的抗草甘膦基因處于研發(fā)起步階段；1996-2005年間屬于快速增長(zhǎng)期，1996年轉(zhuǎn)基因作物被批準(zhǔn)商業(yè)化，使得抗草甘膦基因?qū)＠暾?qǐng)出現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，直至2005年達(dá)到專利申請(qǐng)量的最高值；2005-2009年出現(xiàn)一定程度的下降，2010-2012年又快速增長(zhǎng)；2013-2020年抗草甘膦基因?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，專利授權(quán)量的變化趨勢(shì)與申請(qǐng)量大致相同。由于發(fā)明專利公開(kāi)存在18 個(gè)月滯后期，所以2019-2020年數(shù)據(jù)不能說(shuō)明授權(quán)趨勢(shì)，數(shù)據(jù)結(jié)果僅供參考（圖1）。

圖1 抗草甘膦基因?qū)＠暾?qǐng)和授權(quán)趨勢(shì)Fig.1 Patent applications and authorization trends of glyphosate-resistant genes

2.3 重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域分析

根據(jù)國(guó)際專利分類號(hào)（IPC）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到抗草甘膦基因研發(fā)重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域構(gòu)成與分布，為未來(lái)研發(fā)重點(diǎn)技術(shù)方向提供參考。

三是營(yíng)造 “鼓勵(lì)創(chuàng)新、崇尚創(chuàng)業(yè)、寬容失敗”的市場(chǎng)創(chuàng)新環(huán)境。加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，完善大連科技局出臺(tái)的 “企業(yè)專利權(quán)質(zhì)押貸款貼息管理辦法”，借鑒青島 “科技型中小微企業(yè)專利權(quán)質(zhì)押保險(xiǎn)貸款和資助辦法”，給予科技型中小微企業(yè)更大的信貸資助力度和更加寬松的融資條件。借鑒推廣深圳“以市場(chǎng)化方式探索設(shè)立中試創(chuàng)新基金”做法，幫助企業(yè)突破中等規(guī)模創(chuàng)新試驗(yàn)環(huán)節(jié)資金瓶頸。依托國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)政策優(yōu)勢(shì)和東北亞創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)創(chuàng)投中心建設(shè)，集聚大批量中小微科技型高成長(zhǎng)性企業(yè)，鼓勵(lì)發(fā)展生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)，圍繞企業(yè)生命周期提供管理咨詢服務(wù)。

對(duì)排名前十的抗草甘膦基因?qū)＠鸌PC 大組分類號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1），C12N 為該領(lǐng)域核心技術(shù)分類，涉及該小類的有4 個(gè)大組分類號(hào)，主要涉及植物基因工程、酶及其化合物、遺傳育種研究，其中C12N15 專利數(shù)量占總專利數(shù)的86.86%；A01H 小類下的大組分類號(hào)有2 個(gè)，主要與植物品種品質(zhì)改良和種質(zhì)資源有關(guān)，其中A01H5 專利數(shù)量占總專利數(shù)的65.36%。除上述2 個(gè)小類外，還有C12Q 小類，主要涉及含酶、核酸或微生物的測(cè)定或檢驗(yàn)方法，與轉(zhuǎn)基因作物的商業(yè)化發(fā)展需求有關(guān)。從IPC 分布可以看出，目前植物基因工程、植物種質(zhì)資源改良、酶與酶的化合物研究是抗草甘膦基因研究的重點(diǎn)技術(shù)方向，并且研發(fā)熱點(diǎn)向同一專利涉及多個(gè)技術(shù)的復(fù)合性狀開(kāi)發(fā)及檢測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)展。

表1 抗草甘膦基因?qū)＠攸c(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域分布Table 1 Distribution of key technology fields of glyphosate-resistant gene patents

進(jìn)一步對(duì)排名前五位的抗草甘膦基因重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域年度申請(qǐng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2所示，從1996年轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化開(kāi)始，C12N15 和A01H5 這兩個(gè)大組涉及的技術(shù)領(lǐng)域是抗草甘膦基因發(fā)展最迅速的，每年申請(qǐng)數(shù)量均高于其他技術(shù)領(lǐng)域，表明抗草甘膦基因研究發(fā)展聚焦在基因修飾與改良、外源基因片段的編碼與調(diào)控以及抗草甘膦基因資源方面，可持續(xù)性創(chuàng)新的能力十分強(qiáng)勁。各領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量從2007年開(kāi)始有所下滑，雖在2013年有所上升，但整體仍呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，研究的周期性使得申請(qǐng)趨勢(shì)出現(xiàn)波動(dòng)，說(shuō)明抗草甘膦基因的技術(shù)體系越發(fā)成熟，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破的難度增加，因此專利申請(qǐng)速度有所放緩。

圖2 抗草甘膦基因重點(diǎn)IPC 領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)年度分析Fig.2 Annual analysis of patent applications for glyphosate-resistant genes in key IPC fields

2.4 重點(diǎn)受理國(guó)家地區(qū)分析

世界排名前六位的抗草甘膦基因?qū)＠暾?qǐng)受理國(guó)家或地區(qū)專利局分別為中國(guó)、美國(guó)、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（PCT）、歐洲專利局、加拿大和澳大利亞，受理量占總數(shù)的61.23%。

中國(guó)是草甘膦除草劑的生產(chǎn)大國(guó)，因此抗草甘膦轉(zhuǎn)基因作物在中國(guó)具有巨大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力和價(jià)值。巨大的潛在市場(chǎng)正成為世界各個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)生物技術(shù)相關(guān)公司競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，中國(guó)草甘膦抗性基因?qū)＠芾砹恳惨虼宋痪邮澜绲谝?，占全球前六個(gè)受理局受理量的30%，由此可見(jiàn)世界各國(guó)對(duì)抗草甘膦基因及相關(guān)技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)部署已在中國(guó)全面展開(kāi)。

美國(guó)是轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，絕大多數(shù)跨國(guó)公司都把美國(guó)當(dāng)作是商業(yè)化抗草甘膦基因技術(shù)的重點(diǎn)區(qū)域，專利受理量達(dá)到148 項(xiàng)，僅次于中國(guó)，排名世界第二位。作為全世界專利布局重要中心環(huán)節(jié)的世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織，在專利技術(shù)在世界范圍內(nèi)商業(yè)化應(yīng)用上發(fā)揮著十分重要的作用。到2020年，各個(gè)抗草甘膦基因研發(fā)機(jī)構(gòu)向世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織共提交PCT 申請(qǐng)77 項(xiàng)，為排名全球前六個(gè)受理局受理量的13%，體現(xiàn)了這些機(jī)構(gòu)對(duì)利用世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織進(jìn)行專利跨國(guó)申請(qǐng)并在全球范圍內(nèi)布局的重視。

作為眾多轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究機(jī)構(gòu)總部所在地之一的歐洲，在抗草甘膦基因?qū)＠芾矸矫婢哂泻艽髢?yōu)勢(shì)，專利受理量以75 項(xiàng)排名全球第四位。加拿大和澳大利亞作為十分重要的農(nóng)作物生產(chǎn)區(qū)，占據(jù)了抗草甘膦基因產(chǎn)業(yè)化方面的較大市場(chǎng)，是各個(gè)研究機(jī)構(gòu)著重布局的國(guó)家，分別以55、50 項(xiàng)的受理量位列第五、第六位（圖3）。

圖3 抗草甘膦基因?qū)＠攸c(diǎn)受理國(guó)家地區(qū)分析Fig.3 Analysis of key accepting countries and regions of glyphosate-resistant gene patents

2.5 不同國(guó)家研發(fā)能力分析

各個(gè)國(guó)家的研究發(fā)展能力可以通過(guò)該國(guó)研發(fā)機(jī)構(gòu)在全球范圍內(nèi)的專利申請(qǐng)數(shù)量來(lái)體現(xiàn)。本文統(tǒng)計(jì)了不同國(guó)家研發(fā)機(jī)構(gòu)抗草甘膦基因全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量排名前五的國(guó)家，結(jié)果見(jiàn)圖4。

美國(guó)以439 件抗草甘膦基因?qū)＠琶虻谝晃唬瑢＠麛?shù)占前五位申請(qǐng)量的59%。中國(guó)以174 件抗草甘膦基因?qū)＠琶诙记拔逦簧暾?qǐng)國(guó)家專利申請(qǐng)量的24%。法國(guó)、荷蘭、英國(guó)申請(qǐng)量分別為77、28、22 件，排在第三、四、五位。比較圖3與圖4不同國(guó)家抗草甘膦基因?qū)＠芾砼c申請(qǐng)情況，美國(guó)有關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)提交的全球?qū)＠暾?qǐng)總數(shù)高出本國(guó)受理的專利數(shù)196.6%，法國(guó)、荷蘭、英國(guó)3 個(gè)歐盟國(guó)家的申請(qǐng)機(jī)構(gòu)合計(jì)申請(qǐng)127 件，高出歐洲專利局69.3%，表明美國(guó)與歐盟都是技術(shù)輸出型國(guó)家/地區(qū)，在非本國(guó)家/地區(qū)的專利局申請(qǐng)了相關(guān)專利。中國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)的專利申請(qǐng)量174 件與中國(guó)專利局專利受理量173 件基本持平，說(shuō)明中國(guó)受理的專利均來(lái)自本國(guó)機(jī)構(gòu)申請(qǐng)，在全球的專利布局還未展開(kāi)。

圖4 不同國(guó)家抗草甘膦基因?qū)＠暾?qǐng)情況Fig.4 Patent applications of glyphosate-resistant genes in different countries

圖5 不同國(guó)家抗草甘膦基因?qū)＠甓壬暾?qǐng)趨勢(shì)Fig.5 Trends of annual application of glyphosate-resistant gene patents in different countries

2.6 主要申請(qǐng)機(jī)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)力分析

表2列出了抗草甘膦基因?qū)＠饕暾?qǐng)機(jī)構(gòu)的情況。從研究機(jī)構(gòu)的類型來(lái)分析，目前企業(yè)仍是抗草甘膦基因研發(fā)的主力。1983-2020年間全球申請(qǐng)抗草甘膦基因?qū)＠偭颗琶笆坏膶＠麢?quán)人依次為陶氏杜邦先鋒、拜耳孟山都、阿森尼克斯公司、VERDIAINC.、MS 技術(shù)責(zé)任有限公司、希博斯有限公司、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、四川天豫興禾生物科技有限公司、羅納-普朗克農(nóng)業(yè)公司、先正達(dá)集團(tuán)股份有限公司，大部分為歐美國(guó)家公司，僅有3 家中國(guó)機(jī)構(gòu)。這10 家機(jī)構(gòu)的專利（族）總量達(dá)580 組，占全球抗草甘膦基因?qū)＠暾?qǐng)總量的61.44%。申請(qǐng)集中在歐美和中國(guó)地區(qū)，使得這3 個(gè)地區(qū)對(duì)于未來(lái)專利的商用、專利戰(zhàn)略布局等具有很高的運(yùn)用調(diào)配能力。

表2 抗草甘膦基因?qū)＠攸c(diǎn)申請(qǐng)機(jī)構(gòu)情況Table 2 Key application institutions of glyphosate-resistant gene patent

美國(guó)作為抗草甘膦基因?qū)＠暾?qǐng)最多的國(guó)家，專利集中在幾家大型跨國(guó)公司手中。隨著幾家大型公司的收購(gòu)合并，為將來(lái)的科研提供了大量的資金，擴(kuò)大了領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)與壟斷程度。中國(guó)雖然在抗草甘膦基因?qū)＠暾?qǐng)上排名世界第二，但申請(qǐng)機(jī)構(gòu)排名前十的只有3 個(gè)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、四川天豫興禾生物科技有限公司、先正達(dá)集團(tuán)股份有限公司分列第七、八、十位，研發(fā)主體既有科研院所也有企業(yè)，總而言之，受到國(guó)內(nèi)的政策與產(chǎn)業(yè)化能力的限制，中國(guó)抗草甘膦基因?qū)＠纳虡I(yè)化應(yīng)用還較為滯后。隨著科研院所與企業(yè)間合作的加強(qiáng)，未來(lái)具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.7 抗草甘膦基因在作物中的商業(yè)化應(yīng)用

目前抗草甘膦基因已經(jīng)應(yīng)用于多種作物當(dāng)中，本文采用作物涵蓋基因種類多少以及轉(zhuǎn)化事件數(shù)量來(lái)衡量其商業(yè)化程度。

由表3可知，已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的抗草甘膦基因有7 種，共產(chǎn)生229 個(gè)轉(zhuǎn)化事件，其中涉及4 種EPSPS基因，共206 個(gè)轉(zhuǎn)化事件，10 種作物，可見(jiàn)EPSPS基因是應(yīng)用程度最高，范圍最廣的抗草甘膦基因。按不同的作物類型劃分，玉米涵蓋6 種基因，共有147 個(gè)轉(zhuǎn)化事件；阿根廷油菜涵蓋4 種基因，共有18 個(gè)轉(zhuǎn)化事件；大豆涵蓋3 種基因，共有23個(gè)轉(zhuǎn)化事件；棉花涵蓋2 種基因，共有22 個(gè)轉(zhuǎn)化事件，可見(jiàn)抗草甘膦玉米是商業(yè)化程度最高的作物，抗草甘膦玉米的轉(zhuǎn)化事件遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他作物，是因?yàn)檗D(zhuǎn)基因玉米是當(dāng)前世界上第二大轉(zhuǎn)基因作物，用途最廣且產(chǎn)量最高，是雜交育種應(yīng)用與普及最早的作物之一，在保障人類能源、飼料、工業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用［15］。

表3 目前已商業(yè)化應(yīng)用的抗草甘膦基因Table 3 Glyphosate resistant genes that have been commercialized

2.8 抗草甘膦基因的性狀疊加

復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因植物能同時(shí)具有兩個(gè)或多個(gè)性狀，可以滿足種植者不同的種植需求，是目前研發(fā)及應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域 。從圖6紅色趨勢(shì)線可以看出，1997年首次申請(qǐng)抗草甘膦復(fù)合性狀以來(lái)，整體呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的趨勢(shì)，在1998-2005年專利申請(qǐng)量激增，隨后2006-2010 略有減少，與單抗草甘膦基因?qū)＠陆档内厔?shì)不同，2010-2020年復(fù)合性狀專利目前還保持著平穩(wěn)增長(zhǎng)的勁頭，2019年底抗蟲(chóng)抗除草劑復(fù)合性狀作物種植面積同比增長(zhǎng)6%，達(dá)到全世界轉(zhuǎn)基因作物種植面積的45%，超過(guò)了耐除草劑性狀的種植面積［16］。目前美國(guó)的陶氏杜邦先鋒公司申請(qǐng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于世界上其他國(guó)家的機(jī)構(gòu)，預(yù)計(jì)未來(lái)復(fù)合性狀的專利申請(qǐng)將成為研究的重點(diǎn)。

圖6 抗草甘膦復(fù)合性狀專利的申請(qǐng)趨勢(shì)Fig.6 Patenting trends for glyphosate-resistant compound traits

多基因功能疊加的復(fù)合性狀研究使得一件基因?qū)＠@得多個(gè)抗性性狀，例如，通過(guò)轉(zhuǎn)入兩個(gè)不同的基因或者一個(gè)嵌合基因，使作物在抗草甘膦的同時(shí)也能對(duì)其他除草劑產(chǎn)生抗性，或產(chǎn)生抗蟲(chóng)性狀。為進(jìn)一步了解這部分交叉疊加性狀，通過(guò)維恩圖（圖7）進(jìn)行了布局分析，與抗草甘膦疊加較多的性狀主要為抗2,4-D 除草劑，達(dá)到81 項(xiàng)，抗草甘膦且抗草丁膦除草劑的專利23 項(xiàng)，抗草甘膦且抗蟲(chóng)的專利17 項(xiàng)，抗草甘膦且抗HPPD 抑制劑類除草劑的專利17 項(xiàng)，抗草甘膦、抗HPPD 抑制劑、抗2,4-D 等3種除草劑的專利6 項(xiàng)，抗草甘膦、抗蟲(chóng)、抗草丁膦的專利2 項(xiàng)。

圖7 各目標(biāo)性狀的分布情況Fig.7 Distribution of each target character

2.9 國(guó)內(nèi)外主要研發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)展策略與競(jìng)爭(zhēng)力比較分析

本文選擇學(xué)術(shù)驅(qū)動(dòng)、合作性、多樣化、國(guó)際化、市場(chǎng)推動(dòng)、質(zhì)量提升、專業(yè)化、數(shù)量增長(zhǎng)8 個(gè)維度，對(duì)國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研發(fā)機(jī)構(gòu)抗草甘膦基因的研發(fā)策略與競(jìng)爭(zhēng)能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析比較。對(duì)研發(fā)機(jī)構(gòu)的選擇，國(guó)內(nèi)以跨國(guó)公司先正達(dá)和科研單位中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作為主要研發(fā)機(jī)構(gòu)代表，國(guó)外則確定了跨國(guó)公司或通過(guò)并購(gòu)形成的專利陣營(yíng)拜耳孟山都與陶氏杜邦先鋒，比較分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 主要研發(fā)單位發(fā)展策略與競(jìng)爭(zhēng)比較分析Fig.8 Comparative analysis of development strategy and competition of main research and development units

中國(guó)化工收購(gòu)的先正達(dá)股份有限公司的發(fā)展策略相比之下最均衡，除了學(xué)術(shù)驅(qū)動(dòng)力較低外，其他7 項(xiàng)指標(biāo)在比較中有明顯的優(yōu)勢(shì)。拜耳孟山都和陶氏杜邦先鋒的發(fā)展也相對(duì)比較均衡，兩家公司甚至是有些類似，每項(xiàng)指標(biāo)都有涉及，說(shuō)明跨國(guó)公司的資本集中統(tǒng)籌使得其在全球范圍內(nèi)對(duì)專利的布局有系統(tǒng)性規(guī)劃與設(shè)計(jì)，但在數(shù)量增長(zhǎng)和專業(yè)化上數(shù)值角度，主要是這兩家跨國(guó)企業(yè)在全球的草甘膦基因?qū)＠季智捌谝延休^大量布局，且專利申請(qǐng)呈現(xiàn)多樣化。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作為中國(guó)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研發(fā)的國(guó)家隊(duì)，抗草甘膦基因?qū)＠麛?shù)量增長(zhǎng)速度最快，且在申請(qǐng)專利時(shí)引用的專利大部分為近幾年的新專利，市場(chǎng)推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新能力強(qiáng)；更多的參考和引用了學(xué)術(shù)論文等非專利文獻(xiàn)，體現(xiàn)出了申請(qǐng)專利時(shí)與學(xué)術(shù)領(lǐng)域的緊密性，學(xué)術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新的動(dòng)力強(qiáng)勁；在多樣化與合作性方面，也均有相關(guān)專利布局，體現(xiàn)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院近年來(lái)逐漸重視專利的覆蓋維度和相關(guān)單位的合作度；在質(zhì)量提升方面，該單位在本領(lǐng)域的專利被引數(shù)量相對(duì)較低，專利的質(zhì)量還有待進(jìn)一步提升；在國(guó)際化方面相關(guān)專利申請(qǐng)量極低，說(shuō)明專利的國(guó)際布局還很欠缺，國(guó)際化能力亟待提升。

3 結(jié)論

3.1 全球抗草甘膦基因的研發(fā)趨于穩(wěn)定，中國(guó)仍與世界先進(jìn)水平存在差距

1996年以來(lái)，有關(guān)抗草甘膦基因的專利申請(qǐng)量開(kāi)始大幅度增多，至2009年專利申請(qǐng)量開(kāi)始回落，2010-2012年又迅猛增長(zhǎng)，2013-2020年抗草甘膦基因?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，專利授權(quán)量的變化趨勢(shì)與申請(qǐng)量大致相同，表明抗草甘膦基因的研發(fā)體系已相對(duì)成熟穩(wěn)健。中國(guó)在“轉(zhuǎn)基因生物新品種培育科技重大專項(xiàng)”的支持下，對(duì)轉(zhuǎn)基因的研究已逐漸達(dá)到世界領(lǐng)先的水準(zhǔn)，但在抗草甘膦基因?qū)＠暾?qǐng)質(zhì)量、多樣化、國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)等方面還有一定差距，同時(shí)受到我國(guó)轉(zhuǎn)基因作物種植政策的影響，在一定程度上阻礙了中國(guó)抗草甘膦基因的發(fā)展步伐。

3.2 中國(guó)抗草甘膦基因?qū)＠纳暾?qǐng)主體與國(guó)外差異度大

從整體來(lái)看，抗草甘膦的產(chǎn)業(yè)需求目標(biāo)導(dǎo)向十分明確的基因?qū)＠暾?qǐng)主要由跨國(guó)公司驅(qū)動(dòng)；但在中國(guó)，抗草甘膦基因?qū)＠邪l(fā)和申請(qǐng)主要由科研單位完成，體現(xiàn)了其公益性。

轉(zhuǎn)基因玉米是目前應(yīng)用抗草甘膦基因最多的作物，美國(guó)作為世界上最大的轉(zhuǎn)基因玉米種植國(guó)家，抗草甘膦基因?qū)＠纳暾?qǐng)量也位居世界第一。近幾年中國(guó)在常見(jiàn)的抗草甘膦基因的研發(fā)能力上與歐美等國(guó)差距不大，甚至在部分領(lǐng)域處于領(lǐng)跑階段，未來(lái)有望打破歐美大型跨國(guó)公司的壟斷，但在復(fù)合性狀專利的研發(fā)與美國(guó)等國(guó)的研發(fā)機(jī)構(gòu)還具有較大差距，而且中國(guó)的研發(fā)單位主力是以中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院為首的科研院校，企業(yè)申請(qǐng)的抗草甘膦基因?qū)＠^少，僅有四川天豫興禾生物科技有限公司發(fā)展較好，在中國(guó)收購(gòu)瑞士先正達(dá)公司后，整體實(shí)力才稍有上升。總體來(lái)看，受限于國(guó)內(nèi)政策與產(chǎn)業(yè)化能力，我國(guó)抗草甘膦基因?qū)＠漠a(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還較為滯后。

3.3 基因疊加的復(fù)合性狀研究潛力巨大

創(chuàng)新研究往往隨著商業(yè)的需求而去精準(zhǔn)對(duì)接，從1996年轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物商業(yè)化到現(xiàn)在，抗蟲(chóng)和抗除草劑是商業(yè)需求最為聚焦的兩個(gè)產(chǎn)業(yè)性狀，也一直都是轉(zhuǎn)基因?qū)＠闹髁?。根?jù)ISAAA 最新數(shù)據(jù)顯示，2019年抗蟲(chóng)耐除草劑復(fù)合性狀作物應(yīng)用面積增長(zhǎng)了6%，已經(jīng)超過(guò)了單抗除草劑性狀作物的種植面積。目前復(fù)合性狀專利的申請(qǐng)大多屬于美國(guó)的陶氏杜邦先鋒公司，在一些商業(yè)化應(yīng)用廣泛的基因組合上逐漸到了瓶頸期，新的融合基因的專利申請(qǐng)并不多見(jiàn)。

4 展望

4.1 重點(diǎn)對(duì)人工誘變獲得抗性基因研究

培育抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物的初衷是為了防止特定種類的雜草，但基因飄移引發(fā)的食品安全問(wèn)題存在著巨大的爭(zhēng)議，在一定程度上阻礙了轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展［17］。傳統(tǒng)育種方式不能像轉(zhuǎn)基因技術(shù)那樣充分利用物種的基因資源，但因育種過(guò)程沒(méi)有轉(zhuǎn)入外源基因而更容易被大眾接受。目前，通過(guò)非轉(zhuǎn)基因手段培育的抗草甘膦作物涉及玉米、大豆、棉花等。利用CRISPR 等現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行原位修飾改造作物基因，培育非轉(zhuǎn)基因或者不含轉(zhuǎn)基因成份的抗草甘膦作物新品種更具有發(fā)展前景。例如中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所周煥斌等優(yōu)化升級(jí)了現(xiàn)有植物腺嘌呤堿基編輯器（CRISPR2.0），并借此成功對(duì)水稻主栽品種的4 個(gè)除草劑靶標(biāo)基因?qū)崿F(xiàn)了一次性同時(shí)改造［18］。

4.2 積極開(kāi)發(fā)抗性基因的復(fù)合性狀

轉(zhuǎn)基因技術(shù)在農(nóng)作物新品種的培育方面發(fā)揮出了巨大優(yōu)勢(shì)，利用將多目標(biāo)基因轉(zhuǎn)移到一個(gè)農(nóng)作物品種中實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物品種改良已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象。長(zhǎng)期使用單一的抗草甘膦作物存在容易導(dǎo)致田間雜草抗藥性增加的潛在技術(shù)問(wèn)題［19］，多抗及復(fù)合性狀的轉(zhuǎn)基因作物的研發(fā)日益受到人們的重視，美國(guó)已經(jīng)商業(yè)化種植抗蟲(chóng)+雙抗除草劑（抗草甘膦+抗草丁膦）的玉米品種的，在復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因技術(shù)方面的專利布局是中國(guó)未來(lái)研究工作的重點(diǎn)。中國(guó)的浙江大學(xué)已經(jīng)申請(qǐng)了融合基因（CP4、aroA、G7、G10、gox或gat/bar或pat）的專利CN106318958A，對(duì)草甘膦和草丁膦具有雙抗性［20］，但整體上與美國(guó)陶氏杜邦先鋒公司還具有較大差距。因此，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人需要進(jìn)一步布局具有雙抗、多抗性能基因技術(shù)專利，從而與已有具備單一抗性的基因?qū)＠纬蓪＠M合，提升自身技術(shù)的市場(chǎng)綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

4.3 布局植物來(lái)源的新型抗性基因的核心專利

從抗草甘膦基因技術(shù)的作用機(jī)制來(lái)看，EPSPS類基因?yàn)槟壳皩＠季值臒狳c(diǎn)區(qū)域，專利申請(qǐng)數(shù)量占據(jù)抗草甘膦基因?qū)＠暾?qǐng)的半壁江山，而gox與gat的專利目前相對(duì)較少，因此需要針對(duì)專利布局非密集區(qū)域加強(qiáng)專利布局，搶占市場(chǎng)先機(jī)。拜耳孟山都、陶氏杜邦先鋒等國(guó)外申請(qǐng)人在抗草甘膦基因核心專利中披露的EPSPS基因、gox、gat來(lái)源均是來(lái)自細(xì)菌［21］，來(lái)自植物的天然抗草甘膦基因還很少，因此，在發(fā)掘新的抗性基因時(shí)，還可以深入挖掘植物來(lái)源的抗性基因類型，研發(fā)出具有專利保護(hù)的新型抗草甘膦基因。

4.4 加強(qiáng)對(duì)歐美海外市場(chǎng)的專利布局

從抗草甘膦基因?qū)＠纳暾?qǐng)人分布來(lái)看，專利家族數(shù)量，即在不同國(guó)家專利申請(qǐng)量排在前兩位的專利申請(qǐng)人是陶氏杜邦先鋒和拜耳孟山都，而國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人目前布局海外專利的數(shù)量相對(duì)較少，例如中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所的核心專利CN101429499B，要求保護(hù)高耐受草甘膦的EPSPS基因及其編碼序列，也僅在中國(guó)和美國(guó)獲得專利保護(hù)［22］。另外，結(jié)合技術(shù)目標(biāo)市場(chǎng)和來(lái)源市場(chǎng)來(lái)看，中國(guó)、美國(guó)和歐洲應(yīng)當(dāng)作為抗除草劑基因技術(shù)的I級(jí)布局區(qū)域，加拿大和澳大利亞等國(guó)可作為抗除草劑基因技術(shù)的II 級(jí)布局區(qū)域。然而國(guó)內(nèi)重點(diǎn)申請(qǐng)人的相關(guān)專利布局區(qū)域相對(duì)單一，并未覆蓋上述主要市場(chǎng)，因此，為了進(jìn)一步支撐與抗草甘膦基因技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的海外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)市場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的政策因素，后續(xù)專利申請(qǐng)還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)上述技術(shù)目標(biāo)市場(chǎng)和來(lái)源市場(chǎng)的專利布局。