遲培娟1???謝華玲1???趙?萍1???陳?芳1???吳?寧2???田志喜3???楊維才3???楊艷萍1,2*

1 中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心

2 中國科學(xué)院大學(xué)? 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院信息資源管理系

3 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所

摘要：

生物種業(yè)是戰(zhàn)略核心產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前，生物技術(shù)結(jié)合數(shù)字技術(shù)推動種業(yè)進(jìn)入智能時(shí)代，育種范式從“試驗(yàn)選優(yōu)”向“計(jì)算選優(yōu)”轉(zhuǎn)變。生物種業(yè)已經(jīng)成為研發(fā)密集型產(chǎn)業(yè)，且市場高度集中，被大型跨國企業(yè)掌控。中美兩國生物種業(yè)科技產(chǎn)出全球領(lǐng)先，發(fā)表論文數(shù)量和授權(quán)專利數(shù)量排名世界前兩位。從核心競爭力來看，美國是全球的佼佼者，在原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究和核心技術(shù)方面具有絕對優(yōu)勢；近年來，中國在育種技術(shù)應(yīng)用方面取得了長足發(fā)展，但在基礎(chǔ)理論研究、核心技術(shù)開發(fā)及市場優(yōu)勢品種培育等方面仍有待突破。

國以農(nóng)為本，農(nóng)以種為先。種業(yè)是確保糧食安全乃至國家安全的關(guān)鍵。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織資料顯示，良種是推動全球作物產(chǎn)量顯著提升的重要因素，良種增產(chǎn)貢獻(xiàn)率在20世紀(jì)達(dá)到了50%。生物種業(yè)是利用各種生物技術(shù)培育生物新品種的戰(zhàn)略性和基礎(chǔ)性核心產(chǎn)業(yè)，涉及的育種技術(shù)主要包括雜交育種、分子標(biāo)記輔助育種、轉(zhuǎn)基因育種、基因編輯育種、基因組選擇育種和設(shè)計(jì)育種等。

近年來，我國生物種業(yè)取得長足發(fā)展，有力保障了國內(nèi)糧食和重要農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)定供給，但同時(shí)也面臨一系列挑戰(zhàn)。例如，大豆、玉米等飼料糧大量進(jìn)口且單產(chǎn)水平與發(fā)達(dá)國家具有較大差距；部分優(yōu)質(zhì)果品、高檔蔬菜等種源仍然依賴進(jìn)口；奶牛、白羽肉雞等畜禽核心種源仍依賴進(jìn)口。為確保糧食安全，打贏種業(yè)翻身仗，我國迫切需要通過科技創(chuàng)新提高生物種業(yè)的競爭力。

本文從全產(chǎn)業(yè)鏈視角出發(fā)，利用情報(bào)學(xué)研究方法深入研究全球生物種業(yè)的發(fā)展趨勢，分析全球種業(yè)科技創(chuàng)新競爭態(tài)勢，重點(diǎn)剖析我國生物種業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀及瓶頸，為我國生物種業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究提供借鑒。

一、全球生物種業(yè)創(chuàng)新發(fā)展趨勢

1.1 全球種業(yè)迎來以基因編輯、合成生物學(xué)和人工智能等技術(shù)融合發(fā)展為標(biāo)志的智能育種時(shí)代

全球種業(yè)經(jīng)歷了原始育種、常規(guī)育種、分子育種3個(gè)時(shí)代，正進(jìn)入4.0時(shí)代——智能育種時(shí)代，育種精準(zhǔn)性和效率大幅提高。近年來，基因編輯育種、基因組選擇育種、設(shè)計(jì)育種等重要育種技術(shù)快速發(fā)展，相關(guān)發(fā)表論文數(shù)量占生物育種領(lǐng)域發(fā)表論文總量的比例逐年增加（圖?1）。同時(shí)，多國放松基因編輯產(chǎn)品監(jiān)管。例如，美國和日本已批準(zhǔn)多款基因編輯農(nóng)產(chǎn)品上市，包括高油酸大豆油、富含γ-氨基丁酸的番茄、肉量增加的紅鯛魚、生長速度翻倍的河豚及高支鏈淀粉含量的糯玉米。

智能育種成為種業(yè)發(fā)展新興前沿，育種范式正從“試驗(yàn)選優(yōu)”向“計(jì)算選優(yōu)”轉(zhuǎn)變。近年來，一些發(fā)達(dá)國家/地區(qū)紛紛加強(qiáng)了智能育種前瞻布局。2018—2021年，日本向智能育種領(lǐng)域投入11.48億日元（約?5800?萬元人民幣），開發(fā)基因編輯和數(shù)據(jù)驅(qū)動育種的基礎(chǔ)技術(shù)。2021年，美國投入2500萬美元（約?1.7?億元人民幣）成立可編程植物系統(tǒng)研究中心（CROPPS），促進(jìn)數(shù)字生物學(xué)新領(lǐng)域發(fā)展。同年，荷蘭投入約5000萬歐元（約?3.6?億元人民幣）開展人工智能育種計(jì)劃?Plant-XR。各大育種公司也在大力推進(jìn)智能育種研發(fā)。例如，先正達(dá)和巴斯夫等種業(yè)巨頭紛紛與基因組大數(shù)據(jù)公司?NRGene?合作開發(fā)智能育種技術(shù)。

1.2 生物種業(yè)發(fā)展為高研發(fā)投入、高市場集中度產(chǎn)業(yè)

隨著生物技術(shù)、數(shù)字技術(shù)與種業(yè)的融合發(fā)展，生物種業(yè)成為研發(fā)密集型產(chǎn)業(yè)。2018年，全球前10名的種子企業(yè)研發(fā)投入合計(jì)40億美元，種業(yè)平均研發(fā)投入約為銷售額15%，與制藥業(yè)相當(dāng)。據(jù)美國風(fēng)投平臺?AgFunder?統(tǒng)計(jì)，2021年全球農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)吸引了26億美元風(fēng)險(xiǎn)投資，資金主要流向基因編輯、合成生物學(xué)、數(shù)字基因組等領(lǐng)域。國際種業(yè)競爭日益激烈，經(jīng)歷多次兼并后，被拜耳、科迪華、先正達(dá)、巴斯夫等大型跨國企業(yè)掌控，市場高度集中。2020年，全球銷售額前6名的種子企業(yè)全球市場份額高達(dá)58%。其中，拜耳、科迪華以絕對優(yōu)勢領(lǐng)先，合計(jì)銷售額占全球的40%。

二、 全球生物種業(yè)科技競爭力分析

2.1 中國和美國處于全球生物種業(yè)科技產(chǎn)出第一梯隊(duì)

近30年來，生物種業(yè)科技創(chuàng)新速度加快，全球每年發(fā)表論文數(shù)量和授權(quán)專利數(shù)量均呈現(xiàn)增長趨勢。其中，美國和中國發(fā)表論文數(shù)量和授權(quán)專利數(shù)量遠(yuǎn)高于其他國家，處于第一梯隊(duì)（表?1）。中國生物種業(yè)領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)量和授權(quán)專利數(shù)量分別位居全球第1位和第2位；科技產(chǎn)出增速明顯，年度發(fā)表論文數(shù)量和年度授權(quán)專利數(shù)量分別在?2010年和2020年超越美國，排名全球首位。美國發(fā)表論文數(shù)量和授權(quán)專利數(shù)量分別排名全球第2位和第1位，其中授權(quán)專利數(shù)量占全球的51.6%，技術(shù)創(chuàng)新能力突出。除了中美兩國，日本、德國、法國等發(fā)達(dá)國家生物種業(yè)科技創(chuàng)新能力較強(qiáng)，發(fā)表論文數(shù)量和授權(quán)專利數(shù)量排名全球前10位。

表 1 1992 — 2021 年生物種業(yè)主要發(fā)表論文國家和授權(quán)專利申請人來源國家

2.2 美國在育種基礎(chǔ)理論研究和核心技術(shù)創(chuàng)新方面表現(xiàn)突出

育種基礎(chǔ)理論研究是種業(yè)創(chuàng)新的源泉，其代表性的核心論文將對應(yīng)用研究和技術(shù)研發(fā)產(chǎn)生廣泛影響。將育種技術(shù)領(lǐng)域中被專利引用次數(shù)和被論文引用次數(shù)排名均在前1%?且經(jīng)過人工篩選的論文作為核心論文?，分析后發(fā)現(xiàn)，美國發(fā)表了全球62%?的育種核心論文，主要集中在轉(zhuǎn)基因育種、分子標(biāo)記輔助選擇育種、基因組選擇育種、基因編輯育種領(lǐng)域；除美國之外，日本、比利時(shí)等國家在育種理論創(chuàng)新方面也具有一定優(yōu)勢，而我國育種領(lǐng)域重大理論創(chuàng)新方面幾乎空白；同時(shí)，美國持有全球80%?的核心專利，在育種技術(shù)開發(fā)方面具有壟斷地位，中國持有的核心專利僅為美國的1/28，差距巨大。

2.3 全球種業(yè)巨頭產(chǎn)業(yè)實(shí)力和創(chuàng)新能力表現(xiàn)突出

全球種業(yè)經(jīng)過數(shù)輪兼并重組，形成了拜耳、科迪華和先正達(dá)三大巨頭鼎立的局面。2020年，拜耳、科迪華和先正達(dá)種子銷售額為全球前3位，分別占全球種子銷售額的23%、17%?和7%。從創(chuàng)新能力來看，3家企業(yè)分別持有全球?41.7%、27.5%?和3.9%?的核心專利，其中前兩者共持有全球69.2%?的核心專利，表現(xiàn)非常突出。

三、我國生物種業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與問題分析

3.1 我國種業(yè)競爭力有待提高，企業(yè)尚未成為創(chuàng)新主體

（1）種業(yè)市場大而不強(qiáng)，市場集中度較低

“十三五”期間，我國年均種子產(chǎn)值1200億元人民幣，是全球第二大種子市場。我國種業(yè)企業(yè)先正達(dá)、隆平高科入選全球營收前10名種企榜單。但與發(fā)達(dá)國家相比，我國產(chǎn)業(yè)競爭力仍存在較大差距。?

1.?我國農(nóng)作物種子進(jìn)出口貿(mào)易長期處于逆差地位，2020年逆差額為4.93?萬噸，優(yōu)質(zhì)飼草種子等仍需大量進(jìn)口。?

2.?我國育種企業(yè)小而多，市場競爭力和集中度較低。2020年，除去被中國化工集團(tuán)公司收購的瑞士先正達(dá)公司，我國生物種業(yè)公司實(shí)現(xiàn)銷售收入?777億元人民幣，其中銷售收入超?20億元人民幣的企業(yè)僅?1?家，這些本土企業(yè)收入總額約為拜耳?1?家公司的種子銷售額（103?億美元，約?700?億元人民幣）。本土銷售收入前10位的企業(yè)共占我國市場份額不到15%，而拜耳、科迪華2家種業(yè)巨頭共占全球市場份額?40%。

（2）企業(yè)尚未發(fā)揮創(chuàng)新主體作用，研發(fā)投入少，核心競爭力較弱

企業(yè)尚未成為我國生物種業(yè)創(chuàng)新主體，僅掌握我國36%?的核心專利，大部分核心專利來自大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，創(chuàng)新主體功能錯(cuò)位導(dǎo)致先進(jìn)育種技術(shù)商業(yè)化緩慢。我國企業(yè)研發(fā)投入較低，2020?年研發(fā)投入56億元人民幣，占銷售額?7%，而世界三大種業(yè)巨頭的研發(fā)投入通常占其銷售額的12%?以上。我國企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力不足，其中領(lǐng)軍企業(yè)先正達(dá)、隆平高科共掌握全球4%?的核心專利，而歐美巨頭拜耳、科迪華共掌握全球69.2%?的核心專利。

3.2 我國生物種業(yè)科技創(chuàng)新核心競爭力不足，基因編輯等育種技術(shù)商業(yè)化發(fā)展相對滯后

（1）生物種業(yè)基礎(chǔ)研究缺少源頭創(chuàng)新，技術(shù)布局有待進(jìn)一步優(yōu)化

生物種業(yè)創(chuàng)新高度依賴優(yōu)異基因挖掘和育種技術(shù)創(chuàng)新。我國在優(yōu)異基因挖掘方面落后于發(fā)達(dá)國家，缺少自主發(fā)現(xiàn)的具有重大產(chǎn)業(yè)價(jià)值的關(guān)鍵基因，作物種質(zhì)資源利用率僅為3%—5%，復(fù)雜性狀分子調(diào)控機(jī)理尚未取得突破。我國育種技術(shù)理論創(chuàng)新較少，大部分原創(chuàng)技術(shù)來自歐美發(fā)達(dá)國家。我國重要育種技術(shù)研究布局落后于美國。截至2021年，我國在基因編輯育種、基因組選擇育種、設(shè)計(jì)育種領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量占本國育種技術(shù)相關(guān)論文總量的?18%，而美國這一比例高達(dá)34%，尤其是我國基因組選擇育種、設(shè)計(jì)育種技術(shù)論文量占比僅為2%、5%，遠(yuǎn)落后于美國（均為13%）。

（2）生物種業(yè)核心專利數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國，關(guān)鍵核心專利被國外掌控

我國僅持有全球7%?的生物種業(yè)相關(guān)核心專利，而美國占比高達(dá)80%。從專利布局看，歐美發(fā)達(dá)國家已掌握基因編輯等生物種業(yè)底層技術(shù)的核心專利，我國僅有少量核心專利布局在底層技術(shù)應(yīng)用研發(fā)方面，育種技術(shù)研發(fā)難以繞開國外核心專利，產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化將面臨知識產(chǎn)權(quán)方面制約。

（3）缺乏具有重大應(yīng)用前景的突破性新品種

我國主要農(nóng)作物自主選育品種面積占比超95%，但大部分品種缺乏創(chuàng)新和市場競爭力，同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，缺少能大面積推廣的優(yōu)勢品種。2020年，我國推廣面積超1000萬畝的農(nóng)作物品種僅9個(gè)，水稻、小麥、玉米和大豆等主要農(nóng)作物中，排名前10位的品種合計(jì)推廣面積不超過總推廣面積的?32%。此外，我國基因編輯產(chǎn)品商業(yè)化進(jìn)度落后于美國和日本。美、日兩國共有?5?款基因編輯農(nóng)產(chǎn)品批準(zhǔn)上市，而我國目前僅有?1?款國產(chǎn)高油酸基因編輯大豆下發(fā)了首個(gè)，也是唯一一個(gè)農(nóng)用基因編輯生物安全證書。據(jù)歐盟委員會新基因技術(shù)數(shù)據(jù)平臺預(yù)測，未來5—10年全球?qū)⒂?50余種基因編輯產(chǎn)品投放市場，其中我國可上市產(chǎn)品數(shù)量不及美國的16%。

3.3 我國口糧育種科技水平相對較高，其他物種有待進(jìn)一步提高

（1）水稻和小麥等口糧供應(yīng)有保障，水稻育種水平較高

從供給情況看，近5年我國水稻和小麥平均自給率超100%，供給總體安全。從單產(chǎn)水平看，我國水稻和小麥單產(chǎn)為全球平均水平的1.5倍和1.6倍。從育種水平看，水稻方面已達(dá)國際領(lǐng)先水平，核心專利數(shù)量居全球首位，占全球水稻領(lǐng)域核心專利的29.6%；小麥方面育種水平有待進(jìn)一步提高，核心專利數(shù)量占全球?4.5%，不足美國的1/10。

（2）玉米、大豆等飼料糧供需缺口不斷擴(kuò)大，育種科技水平與美國差距顯著

從供給情況看，近5年我國玉米、大豆平均自給率分別為?96%、15%，大豆對外依存度極高，進(jìn)口量長期保持在8000萬噸以上。從單產(chǎn)水平看，我國玉米、大豆單產(chǎn)是美國的59%、58%，仍有較大提升空間。從育種科技水平看，我國玉米、大豆核心專利數(shù)量均不超過40件，不足美國的?1%，而美國持有的玉米、大豆核心專利數(shù)量分別占全球?89.0%、93.6%，具有絕對優(yōu)勢。

（3）大部分畜禽生產(chǎn)基本自足，育種科技水平遠(yuǎn)低于美國等主要國家

從供給情況看，近?5?年我國豬肉、牛肉、羊肉、雞肉的平均自給率分別為?95%、80%、94%、99%，除牛肉外其他品種基本自足。從生產(chǎn)水平看，畜禽總體生產(chǎn)水平偏低，尤其是肉牛和奶牛。2020?年，我國豬、肉牛、羊、雞胴體重分別為全球平均水平?81%、65%、104%、85%，奶牛產(chǎn)奶量約為全球平均水平?65%。從育種科技水平看，我國持有全球畜禽育種領(lǐng)域?22.1%?的核心專利，僅次于美國的?36.7%，但專利的海外布局較少，遠(yuǎn)低于美國等發(fā)達(dá)國家。從種源供給來看，我國曾祖代種豬和白羽肉雞祖代種雞等主流畜禽品種核心種源依賴進(jìn)口，缺乏專用型肉牛和奶牛品種，畜禽部分種源供給有待加強(qiáng)。

（4）蔬菜生產(chǎn)水平較高，但育種科技水平與發(fā)達(dá)國家存在較大差距

從供給情況看，我國蔬菜產(chǎn)量居全球首位，約占全球總產(chǎn)量?52%。近?5?年，我國蔬菜平均自給率超?100%，是蔬菜出口大國，年度凈出口量約?900?萬噸，約占全球出口貿(mào)易總量?15%。從生產(chǎn)水平看，近?5?年我國蔬菜平均單產(chǎn)水平為全球平均水平?1.3?倍。但從育種科技水平看，我國蔬菜領(lǐng)域核心專利數(shù)量僅為?14?件，僅占全球的?2.2%，遠(yuǎn)低于美國的?263?件和荷蘭的?187?件，差距較大。從種源供給看，我國胡蘿卜、菠菜、洋蔥、高端番茄品種、甜菜等種子進(jìn)口依賴度超?90%，部分種源供給有待加強(qiáng)。

四、建議

（1）加強(qiáng)種業(yè)頂層設(shè)計(jì)，優(yōu)化育種研究布局

確保新時(shí)期的糧食安全，我國必須全面優(yōu)化種業(yè)頂層設(shè)計(jì)。

1.?加強(qiáng)基礎(chǔ)研究布局，提高種質(zhì)資源鑒定和優(yōu)異基因挖掘兩方面創(chuàng)新能力，加強(qiáng)生物種業(yè)基礎(chǔ)理論研究，確保育種創(chuàng)新源頭活水。

2.加強(qiáng)重要育種技術(shù)研究布局，高度重視基因編輯育種、基因組選擇育種和設(shè)計(jì)育種等技術(shù)開發(fā)，爭取在新一輪種業(yè)變革中擴(kuò)大競爭優(yōu)勢。

3.加強(qiáng)種源供給研究布局，重點(diǎn)加強(qiáng)飼草、飼料糧、畜禽等需求缺口較大的農(nóng)產(chǎn)品育種創(chuàng)新，早日實(shí)現(xiàn)種源自給自足。

（2）加強(qiáng)生物種業(yè)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，大力發(fā)展智能育種技術(shù)

我國生物種業(yè)科技創(chuàng)新核心競爭力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美發(fā)達(dá)國家?；蚓庉嫷汝P(guān)鍵底層技術(shù)主要來自歐美發(fā)達(dá)國家，我國應(yīng)加強(qiáng)核心技術(shù)研發(fā)，開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的新型基因編輯工具和合成生物學(xué)技術(shù)，避免核心技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)制約。面對即將到來的智能育種時(shí)代，歐美主要國家和大型育種企業(yè)紛紛加強(qiáng)智能育種技術(shù)開發(fā)和數(shù)據(jù)平臺建設(shè)。我國在這方面起步較晚，應(yīng)加快進(jìn)行計(jì)算育種等方面的前瞻布局，建立自主可控的生物數(shù)據(jù)平臺和核心儀器設(shè)備保障體系，推進(jìn)新興生物技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等在育種中的應(yīng)用。

（3）進(jìn)一步優(yōu)化育種創(chuàng)新鏈，并引導(dǎo)企業(yè)發(fā)揮創(chuàng)新主體作用

我國生物種業(yè)創(chuàng)新鏈各級主體功能錯(cuò)位，應(yīng)鼓勵(lì)高校及科研院所、農(nóng)業(yè)科研院校、企業(yè)等分別主攻原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品研發(fā)，打造分工明確、高效協(xié)作的生物種業(yè)創(chuàng)新鏈。在企業(yè)培育方面，我國應(yīng)制定差別化扶持政策：一方面加快培育航母型領(lǐng)軍企業(yè)，推動種子企業(yè)通過兼并重組擴(kuò)大規(guī)模，支持企業(yè)建立規(guī)?；邪l(fā)平臺和創(chuàng)新聯(lián)合體，推動資源、人才、資本向企業(yè)聚集。另一方面加緊孕育一批專業(yè)化平臺企業(yè)，瞄準(zhǔn)前沿核心技術(shù)，鼓勵(lì)優(yōu)秀科研人員參與創(chuàng)新，在產(chǎn)業(yè)鏈重點(diǎn)環(huán)節(jié)提供專業(yè)化技術(shù)或服務(wù)。

作者：

遲培娟??中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心館員。長期從事農(nóng)業(yè)與生物領(lǐng)域戰(zhàn)略情報(bào)研究和科技評價(jià)研究。

楊艷萍??中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心研究員，中國科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院碩士生導(dǎo)師。長期從事農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)略與政策研究。

文章源自：

遲培娟, 謝華玲, 趙萍, 等. 我國生物種業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與問題. 中國科學(xué)院院刊, 2023, 38(6): 845-852.?

DOI:10.16418/j.issn.1000-3045.20230112002