基于專利計量的農業生物技術發展態勢分析

李曉曼 孫巍 徐倩 郝心寧

（1. 中國農業科學院農業信息研究所，北京 100081；2. 中國農業科學院研究生院，北京 100081）

生物技術是20世紀后期人類科技史上最令人矚目的高新技術，也是國際科技競爭乃至經濟安全的重點［1］。生物技術是以現代生命科學理論為基礎，利用生物材料或生物系統，應用工程學原理，并遵循生物學的規律來設計、構建具有預期形狀的新個體以及新型生物制品的一種綜合性技術體系［2］。農業生物技術是農業科學與生物技術相結合形成的綜合性交叉學科［3］，是生物技術在農業領域應用的統稱［4］。農業生物技術是指運用基因工程、細胞工程、發酵工程、酶工程及分子育種等生物技術，改善動植物及微生物品種生產形狀、培育動植物及微生物新品種，生產生物農藥、獸藥與疫苗的新技術［5］。農業生物技術不僅是整個生物技術研究及其產業化發展的基礎，而且在解決人類面臨的糧食、資源、環境、能源及效率等可持續發展瓶頸問題的過程中扮演著重要的角色，發揮著巨大的作用［4］，正深刻改變著農業生產。

經過多年的發展，我國農業生物產業也已經有了一個良好的基礎，表現為生物技術水平不斷提高、技術產業化進程不斷加快。盡管與國際先進水平還有不少差距，但農業生物產業已經成為國家戰略性新興產業的重要組成部分，未來將得到國家政策的大力傾斜，農業生物技術產業的未來前景將十分廣闊。農業生物技術的最終目標是產業化，而產業化的核心和關鍵是擁有自主知識產權的重要功能基因。在新的競爭環境下，知識產權保護戰略已成為參與競爭的重要戰略選擇［6］。專利文獻作為科技創新成果的重要載體和表現形式，快速地反映著當今世界技術發展的最新前沿水平，是指導技術創新的重要信息來源之一。計量分析是以文獻、專利及其知識單元為對象，對其進行數理統計分析以揭示信息流過程的各種數量關系和變化規律的經典情報學定量分析方法［7］。因此對專利信息進行深度挖掘和計量分析成為當前信息情報研究的一種重要手段。通過對專利文獻進行計量分析，可以更好地了解和掌握農業生物技術研究的發展態勢。

本研究以Incopat數據庫為數據源，根據各IPC號與農業生物技術的相關程度，并結合專家論證，通過主、副IPC號進行限制，獲取農業生物技術領域的專利數據集。檢索式為（ipc-main=（c12n or c07k14/195 or c07k14/37）AND ipc=（a01h or a01n or a23k））OR ipc-main=（a61k38/00 or a61k39/00 or a61k48/00）OR ipc=（c05f11/08 or c05f15/00 or c07k14/415 or a01h1/00 or a01h4/00），檢索時間范圍截止至2017年12月14日。采用文獻計量分析的原理與方法，利用科睿唯安的數據分析工具Derwent Data Analyzer（DDA）實現統計分析與數據清洗功能。借助于Incopat數據庫專利分析平臺以及EXCEL等數據處理軟件對農業生物技術的相關專利進行計量和可視化分析。分別從專利申請趨勢、國家和機構競爭態勢、技術領域構成以及高價值專利進行領域發展態勢分析，通過統計分析揭示生物技術領域的發展趨勢。

1 專利申請總體態勢分析

1.1 全球農業生物技術專利申請態勢分析

全球農業生物技術專利的申請態勢整體呈上升趨勢，在一定時間范圍內，經歷了萌芽、增長、高峰和迂回階段，現階段迂曲平穩增長。

在農業生物技術領域，全球最早的專利申請出現在1908年，是瑞士個人提交的涉及一種植物再生肥技術的保護（CH41006A）。澳大利亞的第一篇農業生物技術專利出現在1967年（AU1719767A）。日本的第一篇農業生物技術專利出現在1971年（JP48026554A）。中國的第一篇農業生物技術專利出現在1985年，由河北省科學院微生物研究所提交的涉及一種棉籽殼生料栽培香菇的技術方法（CN85101598A）。美國的第一篇農業生物技術專利出現在1993年，是由個人提交的涉及一種新的蛋白質-多聚陽離子偶聯物技術（US20030027773A1）。

從農業生物技術的專利申請趨勢判斷，研發雖然仍在持續，但專利激增階段已經過去，目前進入平穩增長期，推測農業生物技術已經進入大規模產業化階段（近2年的專利申請數據受公開時滯影響，僅供參考，下同）。

圖1 世界農業生物技術相關專利申請趨勢

1.2 中國農業生物技術專利申請態勢分析

我國農業生物技術專利的申請態勢整體呈現上升趨勢，在一定時間范圍內，經歷了萌芽、增長、高峰階段，現階段迂曲平穩增長。最早的在華農業生物技術專利出現在1985年，是河北省科學院微生物研究所提交的涉及棉籽殼生料栽培香菇的技術（CN85101598A）。1985年至1993年，在華農業生物技術專利年度申請量不超過50件。1993年開始，在華農業生物技術專利年度申請量（50-1 000件/年）增加迅速，2008年開始進入增長高峰期，年度申請量超過1 000件/年。從在華農業生物技術的專利申請趨勢判斷，研發雖然仍在持續，但專利激增階段已經過去，進入了迂回平穩增長期。

圖2 我國農業生物技術相關專利申請趨勢

2 國家和機構競爭態勢分析

2.1 國家專利布局分析

專利布局體現了某一技術領域在專利應用國的申請情況，可表明對市場的搶占情況和專利布局的情況。農業生物技術相關專利在全球布局廣泛，共涉及20多個國家/地區組織。其中，主要布局國家是中國，其次是日本和美國。從國際市場布局看，中國、日本和美國是農業生物技術研發機構比較關注的市場。圖3列出了TOP15國家/地區的專利布局情況。

2.2 機構競爭態勢分析

農業生物技術專利申請量排名可以反映出該領域的活躍機構，并體現出技術的集中與壟斷程度。圖4列出了農業生物技術專利重點申請機構的情況。美國陶氏杜邦公司、德國拜耳公司、德國巴斯夫公司、中國化工公司、中國科學院是農業生物技術相關專利申請量最多的前5家專利權機構，專利量均在1 500項以上。

從TOP20專利權機構的類型來看，屬于企業的有8家，屬于高校的有8家，屬于科研機構有4家，且排名前4位的機構均來自企業。可以看出，生物技術領域的相關技術研發和專利申請主要是由企業主導。從TOP20專利權機構國別來看，有7家機構來自美國，7家機構來自中國，3家機構來自德國，2家機構來自日本，1家來自瑞士。美國的7家機構中不僅有陶氏杜邦、羅氏公司等跨國公司，還有加州大學等世界知名大學。中國的7家機構，中國化工由于收購了先正達，專利數量位居第4，其余6家均沒有企業，說明中國的企業在農業生物技術研發比較壟斷。

從研發機構專利的技術構成（IPC分類）看，TOP10機構的專利主要集中在C12N（微生物或酶；其組合物）等13個技術方向上。其中，在C12N（微生物或酶；其組合物）、A01H（新植物或獲得新植物的方法；通過組織培養技術的植物再生）和肽（C07K）3個方向上的專利量最多（圖5）。可以看出，在農業生物技術領域，關于微生物及其組合物、植物組織培養技術和肽方面的研究是當前研究的主要關注點。

圖3 農業生物技術相關專利國家布局

圖4 世界主要研發機構專利申請量

圖5 世界主要研發機構關注的技術領域

通過對各機構在華的專利申請分析可以看出，中國科學院、中國農業科學院在該領域具有絕對的優勢，3家農業類學校優勢也相對明顯。在TOP16家機構中，有5家機構為海外機構。從機構性質上看，在華TOP16家專利權機構中，高等院校8家、企業5家、科研院所3家，但科研機構的專利申請量排名靠前（圖6）。

企業科技競爭力的提升，除了依靠自身的技術學習與積累之外，一條重要途徑就是加強產學研合作［8］。加強產學研之間的合作，既是建設國家創新體系的內在要求，也是我國企業推進技術創新的必然選擇［9］。相比其它幾個主要國家，科研機構和高校在我國生物技術領域，特別是在通過產學研合作推進我國相關技術快速進步及產業化發展進程中發揮了重要作用。

表1 IPC含義說明

3 技術領域態勢分析

本節主要從宏觀技術領域（IPC分類號）和微觀技術領域（技術功效矩陣）來對農業生物技術的主要研發方向進行分析。通過技術領域態勢分析可以了解農業生物技術目前涉及的技術領域以及技術領域的專利分布情況。

圖6 主要研發機構在華專利申請量

3.1 農業生物技術研發方向

3.1.1 全球農業生物技術研發方向 國際專利分類（IPC）是國際通用的、標準化的專利技術分類體系，蘊含著豐富的專利技術信息。通過對專利的IPC進行統計分析，可以準確、及時地獲取該領域涉及的主要技術主題和研發重點［10］。

通過對IPC分類進行分析，全球農業生物技術相關專利主要集中在人類生活必需（A類）和化學冶金（C類）中，此外，還涉及物理（G類）、作業運輸（B類）、紡織造紙（D類）、機械工程（F類）、電學（H類）等技術類別。可見，農業生物技術是領域交叉較為廣泛的技術。從細化的角度分析生物技術的技術研發方向，發現微生物、酶及其組合物是生物技術相關專利最關注的技術方向，其次是蛋白質醫藥，即醫用、牙科用或梳妝用的配置品和新植物或獲得新植物的方法。對微生物、酶及其組合物和蛋白質醫藥兩個聚集度較強的技術進一步細化，發現在微生物或酶技術中，突變或遺傳工程/遺傳工程涉及的DNA或RNA/載體（如質粒）或其分離/制備或純化、未分化的人類/動物或植物細胞、微生物本身及其組合物、酶是研發重點方向；在蛋白質醫藥中，含肽的醫藥配制品、含有抗原或抗體的醫藥配制品、含有插入到活體細胞中的遺傳物質以治療遺傳病的醫藥配制品及基因治療是研發重點方向。

3.1.2 中國農業生物技術研發方向 從IPC分類來分析，在華農業生物技術相關專利主要集中在人類生活必需（A類）和化學冶金（C類）中，此外，少量專利涉及作業運輸（B類）、紡織造紙（D類）、物理（G類）等技術類別，可見，農業生物技術是領域交叉較為廣泛的技術。從細化的角度分析農業生物技術的技術方向布局，發現微生物或酶是在華生物技術相關專利最關注的技術方向，其次是新植物或獲得新植物的方法和肽。對微生物或酶和新植物或獲得新植物的方法兩個聚集度較強的技術進一步細化，發現在微生物或酶技術中，突變或基因遺傳工程/遺傳工程涉及的DNA或RNA/載體（如質粒）或其分離/制備或純化、微生物本身及其組合物、未分化的人類、動物或植物細胞、酶及其組合物是研發重點方向；在新植物或獲得新植物的方法技術中，通過組織培養技術的植物再生、有花植物、改良基因型的方法是重點研發方向。

圖7 全球農業生物技術領域主要技術方向

將中國農業生物技術領域主要技術方向與全球相比，排名第一的技術均是微生物、酶或其組合物。在全球農業生物技術的主要研發技術中，蛋白質醫藥相關技術排名第二，但在中國關注度較低，排名第五。通過將中國與全球農業生物技術領域主要技術方向進行對比，可以發現中國與全球的不同點，從而可以為該領域下一步的研究方向和研發重點的制定提供參考。

圖8 中國農業生物技術領域主要技術方向

3.2 農業生物技術領域分類

為了進一步探索農業生物技術領域的主要技術，我們在專利分析中引入專家智慧。通過專家知識對專利IPC的解讀進行歸納和匯總。基于專業理解，農業生物技術領域可以分為生物技術育種、應用化學、農業/乳制品和動物科學、蛋白質醫藥、微生物/酶或其組合物等子技術。其中，生物技術育種技術又分為基因改良、植物培養技術，應用化學又分為各種劑、各種肽和有機肥料技術，農業/乳制品和動物科學主要為飼料技術。我們選取基因改良技術作為下一步技術功效分析的技術領域。

3.3 基因改良技術領域技術功效分析

由表2可知，基因改良技術領域對應的IPC是A01H1/00，相關專利15 669件。通過合并同族，得到10 082個專利家族，即10 082項專利（一項專利即為一個專利家族，可對應多件專利）。再經過專家判讀，獲得密切相關的專利6 163項。以密切相關專利為分析對象，從申請布局維度進行基因改良技術的專利布局分析。

表2 農業生物技術領域的主要技術分類

3.3.1 基因改良技術的“技術—功效”框架 結合資料調研情況及專家知識，將基因改良技術進一步分為A 核酸序列、B 轉基因植物、C 轉基因微生物、D 新植物或獲得新植物的方法、E 特殊用途酶和F其他培育方法5個一級子技術。其中，A 核酸序列包括A1 基因序列、A2 調控序列、A3 載體、A4 基因組編輯和A5 其他技術5個二級子技術；B 轉基因植物包括B1 抗蟲植物、B2 抗病植物、B3 耐除草劑植物、B4 品質改良植物、B6 抗逆境植物、B7 特殊用途轉基因植物或組織和B8 其他技術8個二級子技術；C 轉基因微生物包括C1 抗蟲微生物和C2 次生產物生產2個二級子技術；D 新植物或獲得新植物的方法包括D1 改良基因型的方法、D2 改良表現型的方法、D3 植物生長調節劑和D4 氨基酸取代、缺失、添加技術4個二級子技術。對二級子技術進行技術拆分，可拆分為31個三級子技術。

將技術產生的影響（即功效）分為提高土地利用率、環境友好、提高營養、降低成本、提高效率、擴大應用范圍、產生優良新品、提高安全性、其他用途以及無應用/沒有實際功能10種一級功效。針對每個子技術構成的關鍵技術和功效具體產生作用環節細分后的具體技術構成和功效分解見圖9。

圖9 基因改良技術和功效分解圖

基于基因改良技術分解框架，結合基因改良技術的10個重要的功效指標，構建出基因改良技術的“技術-功效”矩陣，并由專家對專利逐條解讀。一項專利可能同時從多個方面提升基因改良技術的多個性能，因此一項專利可能屬于多個“技術-功效”單元。以此為基礎，分析基于技術功效框架下的全球基因改良技術專利的布局情況，發現未來研發的優勢區、機會區和空白區。

3.3.2 全球專利布局分析 表3展現基因改良相關技術點專利申請布局，從表中可以看出基因改良技術專利保護的密集區和稀疏區。表中用橙色標注技術保護相對密集區（申請量高于100項），用綠色標注技術保護稀疏區（申請量少于10項）。

基于技術-功效框架的專利申請布局看，基因序列和改良基因型的方法（專利申請量超過500件）相對于其他子技術的專利申請更為活躍。從解決的問題看，國際基因改良技術最主要的研發目的是提高土地利用率、降低成本、提高效率、擴大應用范圍和產生優良新品。其中，通過雜交/自交的方法或設備達到產生優良新品的專利最多（529項），其次是通過發育控制技術達到提高土地利用率（527項），另外通過其他培育方法的創新提高效率（474項）、通過色其他轉基因植物技術提高土地利用率（347項）、通過殺蟲蛋白表達技術降低成本（237項）、通過營養優化植物提高營養（236項）這幾個技術點也是專利保護密集區。

基因改良技術領域現有的5大子技術分類（A核酸序列、B 轉基因植物、C 轉基因微生物、D 新植物或獲得新植物的方法、E 特殊用途酶、F 其他培育方法）中，通過轉基因植物產生優良新品和提高安全性是專利保護的空白點，即目前還沒有專利申請，其他基因改良技術的專利保護已經深入到技術的各個環節。從功效來看，提高安全性方面的專利保護相對稀疏。

4 高價值專利分析

Narin等［11］認為，專利被引次數作為確認企業重要專利的指標，如果一項專利被后來的許多專利所引用，則表明該專利是一項比較核心和重要的技術，并且專利的引用在公布后的2-4年能夠達到峰值。韓志華［12］則給出核心專利的定義，即在某一技術領域中處于關鍵地位。黃魯成等［13］認為高價值專利指的是對技術發展具有突出貢獻的，對其他專利或技術具有重大影響的，并且具有重要經濟價值的專利。

本文的高價值專利依據Incopat數據庫的合享價值度進行篩選。合享價值度主要依賴于合享新創自主研發的專利價值模型實現，該專利價值模型融合了專利分析行業內最常見和重要的技術指標：專利類型、被引證次數、同族個數、同族國家數量、權利要求個數、發明人個數、涉及IPC大組個數、專利剩余有效期等20余個。在此基礎上，進一步根據每個指標對價值度的影響力，設定各指標的影響因子，實現對每篇專利進行專利強度自動評價，為遴選重點專利提供參考。價值度分為10個等級，從低到高位1-10。

從全球農業生物技術的專利價值度分布分析，價值度在8-10之間的專利居多，占比接近45%。本研究遴選了價值度為10的專利作為高價值專利。可以發現，高價值專利的申請時間集中在2003-2007年，主要側重于微生物或酶及其組合物/繁殖、保藏或維持微生物/變異或遺傳工程、培養基醫用、牙科用或梳妝用的配制品、肽、新植物或獲得新植物的方法/通過組織培養技術的植物再生等技術。拜 耳（MONSANTO COMPANY）、 巴 斯 夫（BASF PLANT SCIENCE GMBH）、陶氏杜邦等是高質量農業生物技術專利的主要申請人。

從在華農業生物技術的專利價值度分布分析，價值度在4-5之間的專利居多，占比接近45%。對高價值度專利進行分析，專利的申請時間集中在2008-2011年，主要側重于微生物或酶及其組合物/繁殖、保藏或維持微生物/變異或遺傳工程、新植物或獲得新植物的方法/通過組織培養技術的植物再生、醫用、牙科用或梳妝用的配制品等技術，對高質量專利進行聚類分析，發現主要集中于耐逆性、抗原呈遞細胞、復合微生態制劑、水解產物、昆蟲抗性等技術。中國科學院、中國農業科學院、拜耳公司、陶氏杜邦公司、中國農業大學、南京農業大學、巴斯夫公司、諾維信公司是在華高質量專利的主要申請人。

將在華專利和全球專利價值度比較可以看出，在華專利價值度相對較低，價值度在4-5之間的專利居多，而全球專利價值度在8-10之間的專利居多。另外，在華專利高價值專利申請的時間集中年份相對靠后。最后，在華專利的高價值專利申請人主要集中在科研機構和大學，而全球的高價值專利申請人主要集中公司。

5 結論與建議

本文通過對農業生物技術領域競爭態勢進行了總體概括和具體分析，通過領域專利分析可以發現世界和中國的生物技術研究力量的分布情況，了解各國、各機構之間的研發重點，進一步了解生物技術當前發展情況和未來的發展潛力，為我國政府和企業制定下一步的計劃提供了科學可靠的依據。通過分析可以得出：

（1）國際農業生物技術研發熱度下降，而我國正日漸升溫。全球農業生物技術專利申請呈現出新趨勢：2010年前專利量的增長主要是以杜邦、巴斯夫、拜耳、收購前的孟山都、收購前的先正達等為代表的跨國公司或農業生物技術公司所引起的；2010年之后這些公司的專利申請呈現出下降趨勢。特別是近兩年，業務模式相對單一的孟山都公司和先正達公司分別被農化巨頭拜耳和我國的中國化工所收購，這正是國外農業生物技術研發熱度下降的一種真實寫照。反觀，目前我國的農業生物技術正處于迅速發展階段，并成為2010年之后的全球農業生物技術專利申請量增長的主要貢獻者。

表3 基因改良技術相關技術點專利申請布局（單位：項）

圖10 全球高價值專利分析

圖11 在華高價值專利分析

（2）國際大公司依然處于優勢地位，而我國機構正在打破這種局面。目前，杜邦、巴斯夫、拜耳和陶氏公司，特別是杜邦、巴斯夫和拜耳的專利量均超3000件以上，擁有絕對性的優勢。當2010年之后，我國的科研和高等教育機構所科研已成為全球農業生物技術專利申請量增長的主要貢獻者，如中國科學院、中國農業科學院、中國農業大學等正在打破原有的以跨國農化巨頭所壟斷的研發格局。同時，我國化工行業的巨頭—中國化工通過收購先正達公司，也步入農業生物技術的研發競爭格局中。

（3）我國農業生物技術增長速度較快，但質量有待提高。我國生物技術產業雖然起步較晚，但近些年發展態勢良好，以基因工程為核心的研制開發頗具規模。但我國農業生物技術的質量相對較低，市場轉化率低，難以發揮助推經濟創新發展和轉型升級的作用。專利撰寫水平，專利的被引，轉化許可等產業應用有待提高；專利技術的產業化程度還很不足，尤其是科研院所和高校與企業間的技術產業化市場化轉化程度較低。

（4）在基因改良技術領域，基因序列和改良基因型的方法相對于其他子技術的專利申請更為活躍。解決的問題大多集中在提高土地利用率、降低成本、提高效率、擴大應用范圍和產生優良新品。其中，通過雜交/自交的方法或設備達到產生優良新品、通過發育控制技術達到提高土地利用率以及通過其他培育方法的創新提高效率、通過其他轉基因植物技術提高土地利用率等也是專利保護密集區。基因改良技術領域中通過轉基因植物產生優良新品種和提高安全性是專利保護的空白點，提高安全性方面的專利保護相對稀疏，相關研究機構應加強研發和布局。