2017年作物育种领域科技成果总体分析
作者单位：中国科学院文献情报中心，中国科学院遗传与发育生物学研究所，中国农村技术开发中心
摘要：本文以Web of Science、Derwent Innovation数据库为主要数据来源，利用文献计量学的方法，从文献数量、国家、机构以及研发主题等方面对2017年作物育种领域的研究论文和专利进行了全面分析。结果表明，中国和美国是作物育种领域科技产出大国，并且在研发主体和专利布局等方面不尽相同，具有各自特点。
1、研究方法和数据来源
1.1研究论文分析
总体论文分析：通过关键词在Web of Science平台中的Science Citation Index Expanded（SCIE）数据库中检索作物育种领域相关研究论文。其中作物包括水稻、小麦、玉米、棉花、油菜、大豆、大白菜、马铃薯、番茄、黄瓜；模式植物包括拟南芥、苜蓿、短柄草。育种领域创新链包括种质资源鉴定与利用、基因组学研究、育种关键技术(远缘杂交、自交不亲和、杂种优势利用、单倍体、多倍体、无融合生殖、基因编辑、全基因组选择育种、分子设其中作计育种、转基因育种)等环节。筛选的文献类型包括Article、Letter、Meetinga bstract和Editorial material。数据时间跨度为2017年1月1日至2017年12月13日。
高水平论文分析：利用关键词+高水平期刊的检索策略，在SCIE数据库中对作物育种领域的相关文献进行检索。其中，高水平期刊是指影响因子大于5或在农业领域研究人员公认的重要期刊。通过上述方法，本研究共遴选出39种重要期刊。
研究主题分析：基于关键词共现的方法，利用VOSviewer可视化工具对育种领域的研究文献进行聚类，通过人工判读后，分别对每个聚类簇进行命名和分析。
1.2专利文献分析
通过关键词+IPC分类号的检索策略，在Derwent Innovation数据库中检索作物育种领域相关专利。与研究论文一样，作物种类涉及农作物、蔬菜和模式植物三大类，以公开年作为检索依据，专利数据时间跨度为2017年1月1日至12月6日。
研发主题分析：通过Derwent Innovation平台中的THEMES主题分析功能，对作物育种领域的研发主题进行可视化，形成类似等高线地形图。其中，地图中的点为单篇专利，山峰表示相似专利形成的不同技术主题，白色表示专利集中领域和热点。
2、作物育种领域科技文献产出特点分析
2.1在育种创新链环节中，育种技术的研究论文数量位居首位
在SCIE数据库共检索到2723篇作物育种相关的研究论文。从育种创新链看，育种技术相关研究论文数量最多，为1818篇，占作物育种领域发文量的67%；其次是基因组学领域，发文954篇，占作物育种领域发文量的35%；种质资源鉴定与利用的论文数量相对较少，共438篇，占作物育种领域发文量的16%(图1)。
在高水平论文中，育种技术相关研究论文数量仍然最多，为366篇，占作物育种领域高水平发文总量的77%；其次是基因组学研究，发文178篇，占作物育种领域高水平发文总量的37%；种质资源鉴定与利用论文数量相对较少，共43篇，占作物育种领域高水平发文总量的9%(图2)。
2.2在各物种中，水稻研究论文数量最多，玉米育种专利数量最多，大豆专利授权比例最高
在总体论文中，水稻相关的研究论文数量最多，达到618篇，占比为22.7%，小麦相关的研究论文数量排名第2，达到554篇，占比为20.3%，拟南芥、短柄草等模式植物相关的研究论文数量排名第3，达到356篇，占比为13.1%。玉米、大豆、棉花相关的论文数量分列第4、5、6位；大白菜的相关论文数量最少，只有24篇(表1)。
在高水平论文中，水稻、小麦和玉米等作物发文数量较多。其中，水稻相关论文数量最多，共计120篇；小麦相关论文数量为116篇，位居第2；玉米相关论文数量为71篇，排名第3(表2)。
在作物育种专利中，大田作物中玉米育种专利数量最多，高达1311件；其次是水稻和大豆，专利数量分别为889件和803件；小麦、棉花和油菜的专利数量依次为371件、348件和225件。蔬菜中番茄育种专利数量最多，达240件；马铃薯、黄瓜和大白菜的专利数量依次为184件、132件和54件。模式植物中，拟南芥育种相关专利最多，达161件；苜蓿和短柄草专利量均较少，分别为64件和11件(图3)。
从专利授权情况看，大田作物中，大豆的专利授权比例最高，达48.6%；其次为玉米，其专利授权比例为47.6%；棉花的专利授权比例为36.7%，排在第3位。蔬菜作物中，番茄的授权专利占比最高，为33.8%；模式植物中，短柄草的授权专利占比最高，为36.4%(图3)。
2.3作物育种研究论文主要涉及基因组学研究、分子标记辅助育种、抗生物/非生物胁迫研究、基因编辑等主题
通过作者关键词的共现聚类，育种领域的研究论文共聚成3个大簇，分别为基因组学研究、分子标记辅助育种、抗生物/非生物胁迫研究。在分子标记辅助育种聚类簇中，小麦、玉米和大豆等作物相关研究论文数量最多，研究内容主要涉及QTL、全基因组关联分析、遗传多样性等。在基因组学研究聚类簇中，主要涉及代谢组、基因组、蛋白质组等组学以及基因编辑技术。在抗生物/非生物胁迫研究聚类簇中，主要涉及水稻、拟南芥等模式物种，内容包括病虫害等生物胁迫以及盐、氧化、冷等非生物胁迫抗性相关研究(图4)。
高被引论文(Highly Cited paper)分析是基于基本科学指标数据库(ESI)中的31篇育种领域相关的高被引论文或热点论文的解读。总体而言，高被引论文涉及了玉米、小麦、水稻、番茄和模式植物等物种，研究内容主要集中在基因编辑技术(7篇)和抗生物/非生物胁迫(7篇)等方面。
2.4中国和美国表现突出，是作物育种领域科技产出大国
在总体论文中，中国发文量最多，以964篇位居第1，占该领域总发文量的35%，是美国发文量的2倍多；美国发文405篇，排名第2；印度发文数量为169篇，排名第3；韩国发文数量为100篇，排名第4；日本发文99篇，排名第5；德国、澳大利亚、巴西、加拿大、法国和意大利紧随其后，发文数量分别为89篇、67篇、58篇、56篇、46篇和46篇(表3)。
在高水平论文中，作物育种相关的高水平论文共计477篇。其中，中国发表的高水平论文数量最多，为136篇；其次是美国，共117篇；德国排名第3，发文量为38篇(表4)。
从专利申请量来看，位居前5位的国家分别为中国(1414件)、美国(725件)、瑞士(92件)、韩国(52件)和荷兰(61件)；中国和美国是作物育种专利申请大国，两个国家专利申请量的总和占前5位国家专利申请总量的91.3%。在上述5个国家中，对其专利授权量进行排名，依次为美国(975件)、中国(447件)、瑞士(99件)、韩国(71件)和荷兰(17件)。此外，比利时、德国和日本等国家的专利申请量不高，均在40件以下，但相对而言，其专利授权数量较高，分别为32件、17件和27件(图5)。总体而言，中国的作物育种专利申请量最多，而美国则是授权专利数量最多的国家。
对作物育种PCT专利分析表明，美国和中国拥有的PCT专利数量位居前两位，其专利数量及占比分别为42件(35.9%)和19件(16.2%)；比利时和荷兰均以6.8%的占比并列第3，PCT专利量为8件；英国和日本均以6件的申请并列第4，占比为5.1%；并列第5的国家为法国和意大利，PCT申请量均为4件，占比3.4%。澳大利亚、瑞士、西班牙、韩国等国家的PCT专利数量均在3件以下(图6)。中国的PCT申请专利内容涉及植物雄性育性相关蛋白及其编码基因、植物抗性基因、抗草甘膦转基因大豆和水稻、光温敏核不育水稻、玉米淀粉调控基因、小麦抗性植株培育等。
2.5中国农业科学院、中国科学院等公益性机构是基础研究论文的发文主体，孟山都、杜邦先锋等跨国企业是专利技术的研发主体
在总体论文中，中国农业科学院在该领域发文数量最多，为73篇；华中农业大学和中国农业大学紧随其后，分别发文57篇和56篇。我国机构在作物育种发文量上表现突出，全球发文量在15篇以上(含15篇)的机构有20个，我国机构占据其中13个席位(图7)。
在高水平论文中，中国科学院在作物育种领域发表的论文数量最多，为19篇，排名第1；华中农业大学发文15篇，排名第2；中国农业大学发文11篇，排名第3，美国农业部农业研究局发文10篇，排名第4。在排名前11位的机构中，我国机构占据了4个(图8)。
从专利申请量来看，前5位机构的排序依次为孟山都(247件)、陶氏益农(174件)、杜邦先锋(165件)、先正达(91件)和拜耳作物科学(70件)；中国机构的专利申请量与国外机构的专利申请量差距明显，华中农业大学等5家中国机构的专利申请量在44件以下，排在第6~10位。从专利授权量来看，排名前5位的机构依然为上述农业跨国企业，依次为孟山都(415件)、杜邦先锋(286件)、陶氏益农(187件)、先正达(96件)和拜耳作物科学(41件)。中国农业科学院作物科学研究所的专利授权量排在第6位，为35件。由此可见，孟山都、陶氏益农、杜邦先锋、先正达和拜耳作物科学等农业跨国企业在作物育种领域的专利申请非常活跃(表5)。
PCT专利中，杜邦先锋公司以13件PCT专利排名第1，专利内容涉及大豆、玉米种质资源鉴定与利用，研发重点是重要农艺性状基因的挖掘，包括花期调控基因、抗倒伏基因、抗褐茎腐病分子标记等。
拜耳作物科学的PCT专利申请量排在第2位(11件)，专利内容涉及黄瓜产量QTL、西瓜育种、分子标记及其在小麦等G型细胞质雄性不育育性恢复基因中的应用。中国科学院遗传与发育生物学研究所以3件PCT专利申请量与其他6家国外机构并列第4，专利内容主要涉及通过核苷酸定点替换获得抗草甘膦水稻的方法、植物雄性育性相关的蛋白及其编码基因的应用以及抗白粉病小麦植株培育(表6)。
3、国内外作物育种领域科技产出对比分析
3.1我国的论文总量和高水平论文数量均较高，美国的高水平论文比例较高，德国的发文少而精
从总体研究论文数量来看，我国在育种领域占据了绝对优势，以964篇位居第1，约占该领域总发文量的35%。从发文机构来看，我国机构在作物育种发文量上表现突出：全球发文量Top20机构中，我国占据其中13个席位，并且排名前5位的机构中有4家来自中国，中国农业科学院以73篇排名全球第1。同时，我国在高水平论文中也表现突出，以136篇位居首位。
以育种领域发文数量为横坐标，高水平期刊发文数量为纵坐标，绘制发文数量TOP10国家的对比图。结果表明，我国在作物育种领域表现突出，不仅总体发文数量遥遥领先，而且高水平论文数量也最多；美国的总体论文数量虽不及中国一半，但是高水平论文数量接近中国，其高水平论文比例明显高于中国；德国的总体论文数量虽然不多，但是高水平论文数量接近本国发文量的一半，研究论文质量较高(图9)。
3.2我国在育种创新链以及各类作物的基础研究布局中，均有较明显优势
从创新链环节来看，除了全基因组选择和自交不亲和技术外，我国在种质资源鉴定与利用、基因组学研究和其他7种育种技术的发文量均排名第1，并且在基因组学、远缘杂交、杂种优势利用、分子设计育种、转基因育种领域的发文数量优势十分明显(图10)。
从作物种类来看，除了番茄外，我国在水稻、小麦、玉米、模式植物等10种物种中发文量均排名第1，并且在除马铃薯和番茄外的其他9种物种中的发文数量优势明显，尤其是在水稻中，比排名第2位的印度发文数量多出近200篇(图11)。
3.3中、美两个受理国的作物育种专利申请呈现出各自特点
从图12可知，全球作物育种领域专利的研发热点涉及杂种优势利用、分子标记、玉米育种、大豆育种、组织培养、基因重组表达、基因定量检测、耐除草剂与抗虫转基因大豆培育等。在中国，受理的相关专利主要集中在杂种优势利用、基因重组表达、组织培养、分子标记和基因定量检测等基础研究领域，专利申请主体为大学和研究机构。在美国，受理的相关专利主要集中在大豆、玉米的自交系培育，专利申请主力军为孟山都和先正达等跨国企业(图12)。
3.4中、美两国高被引研究论文数量并列第1，各国研究主题不尽相同
中国和美国各拥有8篇高被引论文，并列第1(表7)。其中，美国主要发文机构既包括美国农业部农业研究局等研究机构或大学，也有跨国企业如杜邦先锋；其研究内容涉及作物基因编辑(小麦、玉米和番茄)、全基因组关联分析、基因组注释等。中国主要发文机构为中国科学院、中国农业科学院、安徽省农业科学院、华中农业大学、上海交通大学、扬州大学、西北农林科技大学等公益性研究机构。相关研究内容涉及作物基因编辑(水稻和小麦)、连锁图谱及QTL等；从作物种类来看，水稻相关研究成果较为突出，共有4篇高被引论文；小麦高被引论文数量为2篇，位居其后。
德国发表了3篇高被引论文，涉及小麦抗白粉病基因、玉米不同生长期生物量的遗传分析、基因编辑等。荷兰发表了2篇高被引论文，均来自瓦赫宁根大学，涉及了植物⁃病原菌互作、植物应对多重胁迫的响应分子机理。澳大利亚发表了2篇高被引论文，涉及小麦抗逆、小麦抗锈病基因等。
