转基因水稻专利分析

文献转基因水稻专利分析赵亚娟王学昭张静张博张薇一、前言水稻是世界主要的粮食作物之一，世界上有超过一半的人口以稻米为主食，但由于各种病虫害、不良气候与环境等的影响，严重制约了水稻的高产、稳产。转基因水稻针对这些影响改进品种，将外源基因通过生物、物理或化学等手段导入水稻基因组中，使水稻具有新的性状，如抗病虫、抗除草剂、耐环境逆境、增产、优质优价、低耗等，其相关研究已经成为各国转基因技术研究的热点。自1988年首次获得可育的转基因水稻以来，基因工程技术在水稻品种改良上得到了广泛的应用，已成功选育了一系列转基因水稻品系。2009年12月，中国在世界上首次颁发了转抗虫基因水稻“华恢1号”和杂交种“Bt汕优63”的安全证书。由于水稻在人类粮食中的举足轻重的地位，转基因水稻的安全性等问题也吸引了全世界的关注1。（一）研究内容及研究范围转基因水稻研究涵盖了实验研究，应用研究以及产业化等较长的流程，在整个上下游的研究、实验、开发与应用推广过程中，涉及到的不仅仅是农业生物领域的科学研究问题，还受到食品安全、环境评估、公众支持等相关因素的影响，其研究进展与应用推广在很大程度上受制于各国对待转基因水稻的政策。转基因水稻相关的研究与推广链如图1所示。包括在针对转基因水稻改造目标寻找合适的基因、基因构造、基因转移、培养细胞和植株再生、植株筛选与确认、田间试验和安全检测、通过安全检测（经过所在国家批准）后实现商业生产。图1转基因水稻研究生产链示意图2寻找合适基因：针对拟改良的性状，寻找适合基因，了解基因的结构与进化演化，找到在染色体上的定位，并了解基因表达的调控。重新建构基因：改造基因序列或结构，加强其表达。建构不同的启动子，以1绿色和平组织，谁是中国转基因水稻的真正主人。2参考整理自：刘丽飞，GM作物的現況與前景——以創新技術增加GM作物安全性。文献调控基因表达，例如利用组织专一启动子，使其只在叶部，根部或花器内表现，或者利用可调控启动子，使基因在高温、低温、缺水、照光及受伤等情况下表达等。基因转移：进一步将基因导入植物体内，目前使用基因枪法或农杆菌法。植株再生与转殖确认：将基因送入植物体内后进行植株培养，并采用分子生物学技术进行各项筛选与检测。田间试验与安全检测：转殖作物的后代必须进行田间栽培试验，观察在自然环境下的生长表现。产品必须通过各项测试与评估，才可以释放给农民，进行栽培生产。商业生产：得到所在国的法律允许后，可以开始商业生产。从研究的角度讲，转基因水稻的研发流程详见图2。研发过程包含的阶段3有：分离与培养水稻胚胎；分离基因或遗传元件；基因修饰；增加启动子和终止子等；目的基因克隆并构建到转化载体中；遗传转化；培养胚胎并在筛选培养基上选择含目的基因的胚胎；水稻幼苗再生以获得转基因水稻植株等。图2转基因水稻研发流程示意图4本报告中的转基因水稻整体专利分析是基于转基因水稻研发流程来构建数据集，进行分析的，重点技术部分的研究涉及到目标基因和转化载体两个方面。3绿色和平组织，谁是中国转基因水稻的真正主人。4同上。文献（二）研究思路及报告结构本报告以转基因水稻为研究对象，在定性资料调研和专家咨询的基础上，利用权威专利数据库，采用由面入点，由浅到深的分析思路对转基因水稻技术的整体专利布局和重点技术进行了分析，以期客观展现转基因水稻及重点技术的专利保护现状，为转基因水稻领域科技决策提供支撑。报告分三部分：第一部分（第二章）：转基因水稻研究进展和各国对转基因水稻相关政策。第二部分（第三章）：转基因水稻领域整体专利分析。对转基因水稻领域国内外专利申请现状进行整体分析的基础上，揭示我国企业、大学、中国科学院5（以下简称中科院）、其他研究机构（指除中科院以外的研究机构，如农科院、医科院等）等不同性质的机构6在转基因水稻技术研究中的现状。分析内容包括：转基因水稻领域国际7、国内8专利申请趋势转基因水稻领域国际、国内专利申请的技术布局我国企业、大学、中科院、其他研究机构等在转基因水稻技术研究中的技术研发现状优势技术布局技术研发资源（从机构和人员两个方面）储备参与转基因水稻研发的机构和人员数量变化趋势重点研发机构核心研发人员第三部分（第四章至第八章）选择Ti载体技术、凝集素基因、抗白叶枯病基因、抗稻瘟病基因、转Bt基因等转基因水稻研究中的重点技术（或相关基因）展开针对具体技术的深入分析。各重点技术的分析内容包括：重点技术申请趋势分析重点技术来源国家分析重点技术申请人分析基于“技术—功效”框架的专利技术分析，主要有：申请与授权布局分析发明人布局分析技术保护区域分析5中国科学技术大学的专利数量计入中国科学院，而不是大学单元。6各机构性质的划分依据及详细判定规则见附录1。为了叙述方便，在本部分中，将企业、大学、中科院、其他科研机构均称之为单元。7本部分分析采用的国际专利数据来源于欧专局收录的美国、日本、瑞士、德国、英国、法国以及欧专局和世界知识产权组织受理的专利申请，因此本部分国际专利也特指以上专利受理机构收录的专利文献。8国内专利指向中国知识产权局专利局提交的专利申请。文献申请人总体布局分析在华授权专利分析基于被引指标的核心技术识别与分析潜在知识产权风险分析案例：典型竞争对手专利布局分析需要说明的是，在第三部分的研究中，由于所采用的DII化学专利数据库中专利记录是以专利家族为单位进行组织的，一个专利家族代表了一“项”专利技术，如果该项专利技术在多个国家提交申请，则在统计分析中，一项专利对应多“件”专利。在针对以上五种技术所做的专利分析中，对专利的“项”数和“件”数做了区分，在此特作说明。最后，在以上分析的基础上给出报告的结论和启示。（三）数据来源转基因水稻国内外专利整体分析9所用的国内专利数据来源于中国国家知识产权与专利局提供的中国受理的专利数据库10。国际专利数据来源于欧洲专利局收录的美国（US）、日本（JP）、英国（GB）、法国（FR）、德国（DE）、瑞士（CH）六个国家以及欧洲专利局（EP）和世界知识产权组织WIPO（WO）两个国际组织受理的专利申请。数据检索时间截止到2009年12月30日。转基因水稻重点技术专利分析采用的数据来源于DII化学专利数据库，该数据库中包含40多个专利受理机构的专利文献，并且所有的专利文献都以专利家族为单位进行组织，有利于开展基于技术申请的分析。数据检索时间截止到2010年2月3日。（四）研究方法在进行相关知识调研的基础上，经过专家沟通，设定检索策略，并据此构建国内和国际转基因水稻11及重点技术专利分析数据集。借助于Access，EXCEL，TDA（ThomsonDataAnalyzer）等工具，对数据进行清洗和整理，从不同的角度揭示转基因水稻技术发展态势。9数据为截止2009年12月17日的国际、国内转基因水稻专利。10包括发明申请公开、发明授权、实用新型和外观设计数据。11中国专利和六国两组织专利数据检索策略详见附录2。文献二、转基因水稻研究现状与主要国家相关政策（一）转基因水稻研究现状水稻转基因技术始于原生质体培养，1985年首次成功地从水稻原生质体再生完整植株；1986年Uchimiya等首先获得了卡那霉素抗性的转基因水稻愈伤组织；1988年在粳稻品种中获得第一批转基因水稻植株。经过近20年的发展，转基因工程技术在水稻品种改良上得到了广泛的应用，已培育了一系列转基因水稻品系。1、水稻性状改良研究转基因水稻根据其目的可分为三类：具有抗性的转基因水稻、高产和优质转基因水稻、具有药用价值的转基因水稻（详见表1）。表1主要转基因水稻性状及对应基因1212参考自：黄德林，2007，转基因水稻战略研究，中国农业出版社。转基因性状基因一级二级具有抗性抗虫苏云金杆菌杀虫结晶蛋白基因（BT基因）：CRYIA基因蛋白酶抑制剂（PI基因）：豇豆胰蛋白酶抑制剂基因（CPTI基因）、抗线虫的半胱氨酸蛋白酶抑制剂基因（OC-PIN2、SKIID86）、PIN2、SKTI抗稻飞虱等职务凝集素基因：雪花莲凝集素（GNA）基因、豌豆外源凝集素基因（P-LEC）其他如SCIP-1、AHAS等抗逆抗涝基因：PDCI，PDCII，PDCIII抗旱基因：CMO基因、SP17耐碱基因：CODA耐盐基因：BETA、BAD的突变基因（*F*ADGH）H、乙烯受体类蛋白基因抗寒抗冻基因抗除草剂抗草丁膦（phosphinothricin）的BAR基因抗草甘膦（glyphosate）的EPSPS基因原卟啉原氧化酶（protox）基因磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（PEPC）基因、PCKTYPE基因抗咪唑啉酮类除草剂以及其他抗病水稻条纹叶枯病毒外壳蛋白基因RSVCP抗白叶枯Xa21基因抗稻瘟病烟草几丁质酶基因高产优质品质性状改良增加必须氨基酸（如赖氨酸、甲硫氨酸）：水稻储藏蛋白基因（GLUTILIN）增加维生素含量：八氢番茄合成酶及其脱氢酶基因、文献1.1具有抗性的转基因水稻在转基因水稻研究中，具抗性的转基因水稻研究最早且发展较快。其中，研究较成熟的有转苏云金杆菌杀虫结晶蛋白（Bt）基因抗虫水稻和转Xa21基因抗白叶枯病水稻。（1）抗虫性应用于水稻抗虫性改良的外源基因主要有3种，一是从苏云金杆菌分离的苏云金杆菌杀虫结晶蛋白基因(Bt基因)，二是从植物中分离出的昆虫蛋白酶抑制剂(PI基因)，三是植物凝集素基因。科学家分别应用基因枪法、农杆菌介导法、电击法等成功地将cryIA(b)、cryIA(c)基因导入水稻中，获得了转基因植株，经抗虫性检测，转基因植株对二化螟、三化螟、大螟、稻纵卷叶螟等具有明显的致死效应。浙江大学应用Bt基因转化育成的“克螟稻”已通过了浙江省科技厅的鉴定，1999年获准开展环境释放试验。（2）抗病性日本国家农业环境所成功地将水稻条纹叶枯病毒外壳蛋白基因RSVCP导入水稻获得转基因植株，接种后2~3周发现转基因植株只有2%~3%发病，而对照则有95%~100%发病。Christou等将Xa21基因导入水稻后，显著提高了水稻对白叶枯病和稻瘟病的抗性。何迎春等将烟草几丁质酶基因导入水稻获得了高抗纹枯病和稻瘟病转基因植株。四川农业大学将抗病和抗虫基因导入杂交稻的恢复系中，获得了转基因的双抗杂交稻等。（3）抗除草剂20世纪80年代，美国孟山都公司以其拥有广谱、高效除草剂农达(草甘膦)PROLAMIN4A、PSY、CNTL、LCY增加类路萝卜素降低稻米的直链淀粉含量、AMYLOPULLULANASE增加总蛋白质含量：大豆球蛋白基因维生素合成基因丰产二磷酸核酮糖羧化酶基因（RUBPC）、钙调素蛋白激酶基因以及OSCEN1/2基因ADPG焦磷酸化酶的突变基因（GLGC-TM）、AGP淀粉合成酶基因磷酸蔗糖合成酶基因分蘖等其他基因其他药用蛋白、抗体、疫苗等基因与生理生长（花色、激素以及矮化等）有关基因不育相关基因、花粉特异表达不育基因特异性启动子、转录因子等基因文献的优势，率先开展除草剂抗菌性基因的转移研究与抗性品种的开发。随后，美国艾格福公司(AgrEvo)抗广谱除草剂草铵膦转基因水稻和美国氰胺公司的抗咪唑啉酮类除草剂转基因水稻相继问世。中国用于水稻抗除草剂的基因主要是PPT乙酰转移酶基因，即抗Basta基因(bar)，目前也已获得抗Basta水稻。（4）抗逆性由于有关水稻抗逆基因的定位、克隆和分离工作难度较大，抗逆转基因水稻的研究报道还不多。目前已经导入水稻的抗逆基因主要有烟草中的CMO基因、甜菜碱生物合成酶基因codA和水稻耐淹能力有关的基因(pdc,pdc,pdc)，将其转入水稻中分别获得了具有抗旱、耐碱、耐盐和耐渍的转基因水稻植株。1.2高产和优质转基因水稻产量和品质是由多基因控制的综合性状，个别外源基因的导入只能使其组成成分中单一因子的水平获得提高，而对其综合水平没有明显的影响。目前提高水稻产量的基因工程的主要设想是将高光效C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）和二磷酸核酮糖羧化酶基因（RuBpC）导入水稻中，在水稻叶片的叶绿体中表达以提高水稻光合效率，达到增加产量的目的。虽然Ku等将PEPC基因导入水稻，获得了光合效率提