全球转基因抗虫玉米专利布局及对我国的发展建议

来源:By Eric Zhang     2023-06-07 14:50:25

本文网络首发于《世界科技研究与发展》2023年4月7日

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作者:贾倩、郑怀国、赵静娟*

单位:北京市农林科学院数据科学与农业经济研究所

玉米作为当今世界重要的粮食作物,位居我国三大粮食作物之首,同时也是饲料工业和畜牧业的重要原料,玉米产业健康发展对于保障我国粮食安全以及农产品有效供给意义重大。虫害是影响玉米产量和品质的重要因素,培育和种植转基因抗虫玉米已成为防控草地贪夜蛾和玉米螟等玉米害虫的重要手段,在美国、巴西等主要玉米生产国家已实现了商业化种植。我国自主研发的多个抗虫耐除草剂转基因玉米转化体已获得农业转基因生物安全证书(生产应用),2021年农业农村部开展了转基因玉米产业化试点工作,转基因抗虫玉米展现出良好的商业化应用前景。通过分析全球转基因抗虫玉米专利布局,以厘清其技术研发格局、洞悉技术发展趋势,明确我国该领域技术发展差距,为合理部署我国转基因抗虫玉米技术创新,有序推进其产业化发展、完善知识产权布局与保护,提供数据支撑。

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材料与方法

1.1 数据来源

数据来自Derwent Innovation全球专利数据库,采用关键词和IPC分类号组合检索,技术关键词主要包括insect resist、pest toleran*、transgen*、gene transform、gene transfer*、gene modif*、Insecticidal protein、Insecticidal gene、delta exdotoxin、pesticidal protein*、pesticidal gene*,分类号包括A01H5/*、A01H1/00、A01H1/02、C12N15/82、C12N5/04、C07K14/325,检索时间为2022年11月4日,经反复试检迭代调整,进行查全查准检验,对在转基因品种基础上通过杂交、自交、近交、回交方式获得转基因抗虫玉米品种的专利进行了人工排除,得到相关专利文献5871件。

1.2 分析方法

根据文献调研结合专家咨询构建转基因抗虫玉米技术分解表,从抗虫基因挖掘、表达载体构建、转化方法和鉴定检测方法4个技术分支进行标引统计;通过文献计量法,利用德温特数据分析软件(Derwent Data Analyzer,DDA)和Excel等工具,从申请趋势、优先权国、申请人、技术分布等维度进行计量统计。

1)文本聚类法:通过DI专利数据库ThemeScape专利地图分析工具抽取专利文献标题与摘要中的关键词或词组,通过文本解析创建标记词,基于标记词在文献中的出现频率结合算法得到最能代表每篇文献的标记词,将满足阈值要求的标记词作为文献主题;通过比较各文献的主题,计算其关系强度,基于关系强度形成不同主题聚类。

2)重点专利遴选方法:以被引频次、同族专利数量及分布国家或地区、专利维持期限、是否为基础专利、是否有专利许可、异议及诉讼等法律事件为定量考核指标,并结合重要申请人和重要时间节点筛选获得初始重点专利集,经专家研判确定重点专利。

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结果与分析

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2.1 时间分布

全球转基因抗虫玉米专利申请大致呈现三个阶段:1)1987—1994年,转基因技术研究基本处于萌芽阶段,各年度专利申请量不足50件。2)1995—2010年,随着生命科学、基因学、信息学等学科的发展,DNA重组技术、基因工程、克隆技术逐渐成熟,转基因技术应用于植物育种领域,培育出多个转基因抗虫作物品种,减少了杀虫剂等农药的使用,促使农业生产方式发生革命性变化。在此期间,转基因抗虫玉米专利申请快速积累,专利申请量超过专利申请总量的一半,1999年专利申请量达到局部峰值190件,经短暂回落后持续呈现快速增长趋势,2010年专利申请量达到峰值433件。陶氏益农、先正达、孟山都、杜邦先锋、拜耳等种业巨头在此期间进行了大量专利布局。3)2011年之后,随着基因编辑技术的兴起和发展,以及受非政府组织、公众意识和舆论对转基因的影响,转基因技术的推广应用面临挑战,此阶段转基因抗虫玉米专利较前阶段增速放缓,每年专利申请量在300件上下浮动。

2.2 地域分布

通常把专利的优先权国视为技术来源国,转基因抗虫玉米技术研发主要来自美国(4801件)和中国(520件),两者的专利申请占比达90.6%。就专利申请量来看,美国在该领域具有领先优势,中国与美国相比尚有较大差距。

从中、美两国的专利布局地域来看,美国技术输出优势显著,中国本土优势不明显,技术输出尚有不足。美国以海外布局为主,在本国布局的专利申请(1070件)占比仅为22.2%,中国、欧盟、加拿大、澳大利亚、印度和巴西是其重点布局地区,均布局了200件以上的专利申请。中国在本国布局的专利申请(313件)占比达60.2%,在三大热点市场之一的美国仅申请了20件专利;中国作为该领域仅次于美国的第二大市场,本土申请(313件)略少于美国输入性申请(346件),本土优势不明显,阿根廷、巴西、越南、菲律宾和印度是其主要的海外布局地区,平均专利申请量约10余件,海外专利布局较为薄弱。


2.3 技术分布

从技术主题聚类来看,转基因抗虫玉米技术研发主要围绕其技术创新链及产业链进行布局,热点主题包括:抗虫基因表达调控序列;对多种害虫具有抗性的含多重抗虫基因的嵌合基因构建方法及应用;通过修饰、整合Ti质粒提高T-DNA定点整合能力来提高转化效率;抗虫基因序列及编码蛋白在转基因抗虫玉米育种中的应用;用于转基因品种鉴定检测的引物、试剂盒及探针;通过庇护区策略等玉米种植管理措施来缓解转基因玉米害虫抗性进化(图4)。


从技术分支来看,表达载体构建(4032件)是转基因抗虫玉米热点技术分支,其专利申请占比为68.7%,内容涉及编码抗虫蛋白的基因序列,抗虫基因表达调控序列,对多种害虫具有抗性的含多重抗虫基因的嵌合基因构建方法,提高T-DNA定点整合能力和转化效率的Ti质粒修饰、整合方法。其次为抗虫基因挖掘(2649件),内容涉及Cry1ACry1AbCry1A.105Cry1AcCry1BeCry1CaCry1DaCry1EaCry1Fcry 1FaCry2AaCry2AbCry2AeCry34AbCry35AbCry3AaCry3BaCry3BbCry6AaCry7ACry8BVip3Vip3Ab1VIP3AVip1Ac1等抗虫蛋白编码基因。检测方法(2410件)内容涉及针对目标基因设计引物的扩增、含有特异DNA引物和探针的试剂盒等;转化方法(1500件)相关专利申请最少,主要包括微弹轰击法和农杆菌介导法(图5)。

对比中、美两国的技术分支分布,中国与美国技术布局存在明显差异。美国转基因抗虫玉米技术研发重点聚焦表达载体构建,其专利申请占比为70.0%,在抗虫基因挖掘(43.4%)与检测方法(41.6%)方面和的专利申请占比基本相近,在转化方法分支的专利申请最少;而中国的研发重点是抗虫基因,其专利申请占比为71.5%,其次为表达载体构建(53.8%),转化方法(32.1%)和检测方法(36.7%)的专利申请占比相近。

2.4 研发主体

全球转基因抗虫玉米专利TOP10申请人均为企业,反映出该领域技术已较为成熟,进入了产业化阶段。其中杜邦先锋、陶氏益农和孟山都位列前三,其专利申请量占比达52%,在本领域形成垄断格局;近年来,为了获取种质资源和新兴技术、节约研发成本、开拓销售渠道,寡头之间并购活跃,ATHENIX公司被拜耳收购,MYCOGEN公司被陶氏益农收购,2017年杜邦先锋与陶氏进行并购重组成为科迪华;目前该领域基本形成“两超”(拜耳和科迪华)格局。

从海外专利布局来看,中国本土种企在全球化布局方面与国际种企差距较大。国际种企十分注重其技术的全球化布局,除世界知识产权组织和本国之外,孟山都在全球34个国家或地区进行了专利布局,在欧盟、澳大利亚、中国等国家或地区均有40件以上相关专利申请;杜邦先锋和陶氏益农在全球的专利布局区域分别为28个和30个,前者在加拿大、中国、欧盟、巴西等国家或地区均有100件以上相关专利申请,后者在巴西、欧盟、中国等国家或地区均有60件以上相关专利申请;由杜邦先锋和陶氏益农业务整合成立的科迪华也沿袭其全球化战略布局理念,在全球21个国家或地区进行了专利布局;先正达海外专利申请地区达29个,其在美国、欧盟、中国和巴西均有50件以上相关申请;巴斯夫和拜耳的海外专利申请地区也接近20个,范围涵盖美国、巴西、中国、欧盟、澳大利亚、加拿大等热点地区,每个地区平均有10件以上相关申请。相比之下,中国本土企业大北农在海外布局规模和地域范围上仍有较大提升空间。

据统计,商业化的转基因抗虫品种主要来自于孟山都、先正达、杜邦、陶氏益农和拜耳五家国际种企。从各市场主体的技术分布来看,中国本土种企与国际种企的技术布局明显不同。五家国际种企中除陶氏益农以外,技术布局均以表达载体构建为主,相关专利申请占比均超过65%;其次,孟山都和先正达较为注重检测方法的技术布局,两者在该技术分支的专利申请占比分别为73.5%和50.0%,陶氏益农、先正达和拜耳侧重于抗虫基因挖掘的技术布局,三者该技术分支的专利申请占比分别为61.4%、52.5%和51.4%。中国种企大北农的技术研发则以抗虫基因挖掘为主,其专利申请占比约79.5%,其次为转化方法和表达载体构建,相关专利申请占比分别为33.0%和30.1%,检测方法专利申请占比最少,为16.5%。

2.5 重要分支技术发展路线

表达载体构建是转基因抗虫玉米领域的热点技术分支,通过技术路线分析表明,提高抗虫基因表达、增强玉米对多种昆虫的抗虫活性以及延缓抗虫耐性产生是其技术发展的核心需求,为了满足这一需求,表达载体构建技术大致经历三个发展阶段,并向多重抗虫基因组合多种调控元件的方向发展。

1)以启动子为主要调控元件、由1~2个启动子连接单一抗虫基因。最早出现的抗虫基因表达载体是由启动子和抗虫基因组成的重组DNA质粒,随后孟山都制备出由启动子、抗虫基因和非转录DNA序列组成的嵌合基因;1992年,CIBA构建出由第一启动子序列(植物钙依赖性磷酸激酶基因启动子)、抗虫蛋白编码序列、第二启动子和第二编码序列组成的表达载体,使植物中抗虫蛋白含量比天然编码序列表达量高出100倍,有效提高了抗虫性,相关专利至今已被先正达、孟山都、先锋、DEKALB、MYCOGEN等主要专利申请人的1055件专利所引用,是该领域的核心专利。

2)启动子与选择标记基因等多种联合调控序列连接单一抗虫基因。在CIBA的表达载体基础之上,1994年,DEKALB公司开发出由标记基因、保幼激素酯酶基因、MAR区、负选择标记和抗虫外源基因组成的表达载体,使转基因抗虫玉米的抗虫性进一步提高,降低了对化学杀虫剂的依赖,相关专利被孟山都、拜耳、先锋、陶氏益农等重要专利申请人的423件专利所引用。之后,孟山都、杜邦先锋、先正达、拜耳、陶氏益农逐步开始了各自的技术研发和专利布局。1995年,先正达构建出抗虫蛋白编码序列+启动子+控制花青素表达的调控蛋白C1和B-Peru编码序列的表达载体,获得的转基因玉米可抵抗欧洲玉米螟和甘蔗螟虫,减少了商业化应用时间和成本;同年CIBA开发出由CrylECCrylED抗虫蛋白编码基因构成的重组基因,拓宽了抗虫范围,对甜菜夜蛾具有杀虫活性。1999年孟山都开发出含编码Cry3B S1、S2肽核苷酸序列的表达盒,能够表达高含量、高毒性的抗虫蛋白,并对产生抗性的害虫种群具有抑制作用。2006年,孟山都对抗虫基因表达调控序列进一步优化,开发出增强子、前导序列、内含子、终止子等多种调控元件,构建了包括CrylA.105基因和连接序列的表达盒,该连接序列由增强子、非翻译前导序列、内含子、叶绿体靶向肽编码序列及转录终止和多聚腺苷酸化序列组成。

3)多重抗虫基因组成的嵌合基因和多抗虫基因表达盒组合。为了进一步提高杀虫效率并延缓昆虫抗性产生,2008年,拜耳构建了由启动子+杀虫蛋白DNA+3'聚腺苷酸化和转录终止区组成的Cry1CCry1Ab嵌合基因。杜邦先锋构建了由4个基因表达盒组成的DNA构建体,包括第1表达盒(玉米泛素启动子+玉米泛素基因5'非翻译外显子+玉米泛素第1内含子+Cry1F DNA分子+来自ORF 25终止子的poly(A)加成信号)+第2表达盒(玉米泛素启动子+玉米泛素基因5'非翻译外显子+玉米泛素第1内含子+Cry34Ab1 DNA分子+PINⅡ转录终止子)+第3表达盒(小麦过氧化物酶启动子+Cry35Ab1 DNA分子+PIN II转录终止子)+第4表达盒(CaMV 35S启动子+PAT 编码DNA分子+来自CaMV 35S的3'转录终止子)。陶氏益农构建了包括双向启动子(基于玉米泛素1基因最小核心启动子元件的双向启动子)连接多个基因的表达盒,双向启动子的基因表达比单向启动子高四倍,能够有效表达多个基因,减少重组和丢失转基因的风险。杜邦先锋构建了包括第1表达盒(柑橘黄花叶病毒启动子+玉米adhl第一内含子+合成的叶绿体靶向肽+Cry2A.127 DNA分子+泛素3(UBQ3)转录终止子+拟南芥核糖体蛋白基因的3'非翻译区)+第2表达盒(截短的BSV启动子和第二个adhl内含子+Cry1A.88 DNA分子+高粱肌动蛋白转录终止子)+第3表达盒(玉米多聚泛素启动子+玉米多泛素基因的5'非翻译区和内含子+Vip3Aa20 DNA分子+pinll转录终止子)+第4表达盒(玉米多聚泛素启动子+ mo-pat DNA分子+ pinll转录终止子)的DNA构建体,赋予玉米对某些鳞翅目和鞘翅目害虫的抗性以及对膦丝菌素的耐受性。

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结论与建议

3.1 结论

转基因抗虫玉米自诞生以来,在孟山都、杜邦先锋、拜耳等国际种企的推动下快速发展,通过完备的全球化技术布局促使该领域迅速实现产业化应用,并基本形成垄断格局。通过深入分析全球转基因抗虫玉米专利布局,揭示如下结论:

1)近年来,全球转基因抗虫玉米技术研发大致经历萌芽期、快速发展期和平稳期三个发展阶段,目前该技术发展基本趋于成熟。围绕其技术创新链及产业链,形成抗虫基因序列、多重抗虫基因的嵌合基因构建方法及应用、Ti质粒修饰与整合、转基因品种鉴定检测探针及试剂盒开发等多个热点主题,在抗虫基因挖掘、表达载体构建、转化方法和检测方法四个技术分支开展了广泛技术研发与布局;表达载体构建技术是该领域的研发热点,多重抗虫基因组成的嵌合基因和多抗虫基因表达盒组合是其未来发展方向。

2)美国和中国是主要技术来源国,两者技术布局差异明显。美国70%以上的专利申请布局在海外,美国在技术储备与输出方面优势突出,美国市场的本土优势显著;美国以表达载体构建技术为重点,兼顾抗虫基因挖掘技术与检测方法的协同布局。中国近60%专利申请布局在本国,海外专利布局较为薄弱,技术储备与输出有待加强,在中国市场美国申请与中国申请势均力敌,本土优势不明显,技术研发重点为抗虫基因挖掘,表达载体构建技术和检测方法方面的技术布局尚有不足。

3)中国转基因抗虫玉米产业化发展机遇与挑战并存。随着全球种企大规模兼并重组,当前全球转基因抗虫玉米市场基本形成“两超”格局,中国通过并购先正达,为其转基因抗虫玉米技术产业化发展提供了助力,与此同时,中国本土种企已经成为重要的技术创新主体,正逐步跻身产业前列;但国际种业巨头专利储备丰富,布局地域广泛,在表达载体构建技术方面已形成领先优势,通过并购实现了技术整合互补,强化了在抗虫基因挖掘与检测方法方面的技术协同保护,使其技术链和产业链不断完善。而中国本土企业在专利规模和布局地域范围上尚待拓展,其技术研发侧重于抗虫基因挖掘,在基因载体构建与检测方法方面的协同布局略有不足,技术链各环节的协同性发展尚不完善,支撑产业链及产业化发展的技术保障有待加强。

3.2 建议

1)以基因表达载体构建技术为重优化技术研发布局

基因载体是把基因导入细胞的工具,是将目的基因转入宿主细胞使之表达的关键,表达载体设计与构建是转基因技术的核心技术。美国在该技术上开展了重点研发与布局,并向多重抗虫基因组成的嵌合基因和多抗虫基因表达盒组合方向发展,同时也兼顾抗虫基因挖掘与检测技术研发。建议我国围绕提高抗虫基因表达、拓展抗虫谱、延缓抗虫耐性的核心需求,加强抗虫基因表达分子调控机制及害虫抗性进化机理等基础理论研究,完善我国本土农业抗虫种质资源的搜集、管理与鉴定,鼓励和支持挖掘新型抗虫基因,积极探索同时导入多个不产生交互抗性的抗虫基因的载体构建策略及技术实现路径;另一方面,注重抗虫基因挖掘与相关检测技术的协同发展,强化抗虫基因及转基因抗虫品种的鉴定检测方法及产品开发,实现技术链条全面覆盖,为转基因抗虫作物育种产业化应用及知识产权保护提供技术保障。

2)积极培育种企创新能力强化其创新主体地位

在转基因抗虫玉米领域,知识产权已经成为国际种企保持其市场竞争优势的有力武器,通过一系列兼并重组,这些国际种企的国际竞争力得到进一步提升,主导着全球转基因抗虫作物育种的技术研发和产业发展。企业作为市场的主体,企业高质量发展才能带动产业发展。建议应继续加大对我国种企的扶持,鼓励重点优势企业通过兼并重组等方式,实现高端人才、先进技术和种质资源的集聚整合;建议提供持续性的滚动资助,使种企在人才、设备、资源和资金方面得到持续性研发保障;探索构建科研机构(公益性研究)+企业(商业化研究)双轮驱动机制,为企业提供从公益性研究到商业化育种前端孵化的政策支持;在鼓励高端人才向企业流动、公益性科技成果转化方面,制定和出台细化的配套政策,提高科研人员成果转化积极性。

3)提升全球化布局的知识产权战略意识和知识产权保护水平

美国转基因抗虫玉米专利地域布局广泛,技术输出优势明显,杜邦先锋、陶氏益农、孟山都等国际种企在全球20余国进行了技术布局和保护,为其开拓国际市场,提升国际竞争力奠定了基础。建议我国进一步完善知识产权保护制度,营造更好的种业市场竞争秩序和产业环境,以提高本土企业的技术创新积极性;注重对核心技术的全球化保护,培养兼具技术与知识产权素养的综合型人才,重视领域技术情报和商业情报的搜集运用,加强对全球转基因技术发展、监管政策、制度等信息的监测与跟踪,强化技术研发与管理、战略决策之间的协同效应;此外,在“走出去”战略和“一带一路”倡议的大背景下,鼓励和支持我国创新主体进行海外专利申请,提供相关专业性技术服务和专项资金支持,为其开展前瞻性技术部署和海外战略布局提供助力。

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