植物合成生物
人为设计或改造现有生命体的合成生物技术正不断占有传统市场，具备多元的技术发展和产业落地方向。植物基于自身独特的代谢网络及低成本、更安全、高产量等优势，为合成生物学的改造和应用提供巨大潜力，随着人们将微生物合成生物中发展成熟的设计原则、理念及元件的迁移应用，植物合成生物正在成为合成生物的下一篇章。
专利文献是记载植物合成生物学技术发展的重要信息载体，相关检索、统计、分析可用于揭示植物合成生物学发展的技术生命周期，剖析植物合成生物学领域的竞争格局，判断植物合成生物学领域的未来发展空间。通过对国内外植物合成生物学专利的系统性检索和分析，有助于梳理该领域的发展态势，为植物合成生物学技术的开发与应用提供参考。
知耕从专利分析的角度出发，围绕植物合成生物领域的元件开发、工具设计、植物生物反应器、基因编辑、遗传体系等重要技术和应用，从全球专利整体态势与不同行业机构两大层面分别展开分析，以期为国内植物合成生物初创提供参考与启发。
植物合成生物技术处于快速发展阶段
上世纪1989年，美国斯克里普斯研究所在《Nature》杂志上发表了第一篇使用烟草植物产生功能性重组抗体的文章，分子农业（Molecular farming）自此开启了第一波浪潮，并拉开长达30年的植物合成生物学的发展大幕。
从多年间的专利布局整体态势（图1）和技术生命周期（图2）可以发现，植物合成生物学的发展大体经历了3个阶段。第一阶段（1990-1998年）：萌芽阶段，由于技术市场还不明确，专利申请人数量极少，专利申请和授权量均低于100件/年，且大多数是原理性的基础专利；第二阶段（1999-2012年）：缓慢发展阶段，专利申请和授权量稳定在100-500件/年，该阶段专利申请和授权量、专利申请人数量均有明显增加；第三阶段（2013年-至今）：快速发展阶段，随着技术的不断突破，市场逐步扩大，专利申请人数量和专利申请量均呈现明显的增长趋势，然而专利授权量相对稳定，专利授权率呈现明显的下降趋势，开始迈进技术成熟期。
图1 1990-2021年专利申请和授权趋势
图2 1990-2021年专利生命周期
中美两国领跑植物合成生物领域
中美两国是世界重要技术来源地区和技术应用市场
根据专利申请人所在地区（图3）和专利公开地区（图4）分析，中美两国是世界重要技术来源地区和技术应用市场。就专利申请量而言，美国居于世界首位，约占全球专利申请总量的38.34%，中国居于第二位，约占全球25.00%。英国、日本、澳大利亚、德国和韩国分别居于第三至第七位，专利申请量均超过100件。就专利公开量而言，中国居于世界首位，占全球的30.81%，是世界最重要的技术应用市场，美国专利公开量约占9.67%，居于世界第二。澳大利亚、加拿大和日本分别居于世界第三至第五位。
图3 技术来源国TOP10
图4 技术应用TOP10国家
通过对中、美、欧、日、韩五大局的专利流向（图5）分析，展现了植物合成生物这一技术在五大局的技术发源情况和市场布局情况。知耕发现，中美两国进行了较为广泛的专利布局，其中美国机构进行了最为国际化的布局，除美国本土以外，主要布局于在中国，同时在欧洲、日本、韩国地区也有适量布局；而中国机构的专利布局主要集中在国内，国际化布局相对欠缺，这可能会对未来产品出口产生不利影响。
图5 专利技术五局流向图
中美机构独占全球专利申请量前十
专利被引用量反映了领域内研究人员对该专利的参考频次，是衡量专利质量的重要指标。根据植物合成生物学领域专利的被引专利数量（图6）分析发现，被引用量超过50的专利314件，约占全体专利（18466件）的1.70%。本研究将被引用量大于50次专利定义为该领域的核心专利，并对核心专利主要申请机构进行深入分析。
图6 专利数量与被引用量
根据植物合成生物学整体专利申请主要机构（表1）分析发现，美国陶氏益农公司是专利申请量最多的机构。全球专利申请量前十的机构中，八家位于美国，中国机构仅两家，中国科学院遗传与发育生物学研究所和青岛清原化合物有限公司，分别位于第八和第十位。然而，核心专利申请机构（表2）的前十位均为美国机构，其中哈佛大学校长及研究员协会掌握36件核心专利，位于全球首位。可见中国机构申请的专利被引用频次较低，专利质量和技术影响力有待提高。
表1 整体技术申请TOP10机构表
表2 核心技术申请TOP10机构表
各项使能技术突破推动领域发展
植物合成生物学的核心思想是基于标准化的生物元件进行工程化改造以获得新型生物功能，可见元件的定量和标准化、计算工具的开发运用、精确便捷的基因编辑工具、高效稳定的转化方法以及植物底盘的多样性挖掘是充分实现植物设计重构的基础。
针对上述五类植物合成生物学技术，知耕对其进行了近20年的技术专利申请趋势分析（图7），总体而言，元件开发领域、基因编辑领域专利申请数量最多，分别占据整个植物合成生物领域专利申请的30.20%和24.63%份额，遗传体系（0.54%）和工具设计（0.36%）领域专利申请量较少，底盘细胞/植物生物反应器领域（0.08%）最少。就发展趋势而言，元件开发领域专利申请相对稳定，2001-2005年、2006-2010年、2011-2015年均大幅超过其他子领域；基因编辑领域专利申请数量呈现持续增长趋势，2016-2020年超过元件开发领域，占据植物合成生物学约39.06%的专利量；遗传体系和工具设计领域专利申请量较为稳定，底盘细胞/植物生物反应器领域尚处于萌芽阶段。
可见元件开发与基因编辑技术是推动植物合成生物学领域不断发展成熟的最关键使能技术，其中基因编辑技术仍处在加速发展阶段，而最能凸显该领域独特性的植物底盘细胞相关的技术发展有望会成为下一个行业突破点。
图7 2001-2020年五大子领域技术专利申请趋势
最后，根据2001-2020年植物合成生物学五大子领域中国公开专利与国外在华专利（图8）分析发现，国外专利申请在中国占据相对优势地位。底盘细胞子领域技术在华专利均为国外机构申请，此外，在工具设计、遗传体系和元件开发领域国外机构的专利申请量占据高达53.19%、49.09%和41.57%的份额。国内机构仅在基因编辑领域展现较强的技术壁垒，占据超80%的份额。可见国内在不同子领域技术层面仍旧存在卡脖子问题，技术攻关任重道远！
图8 2001-2020年五大子领域中国公开专利与国外在华专利对比分析
总结与展望
自2013年起，全球植物合成生物学技术的专利布局进入快速发展期，专利申请热度高、创新难度大。中美两国作为世界最重要的技术来源地区和技术应用市场，领跑整个植物合成生物领域。
技术层面上，元件开发与基因编辑是推动植物合成生物学领域不断发展成熟的关键使能技术，且基因编辑技术仍处在加速发展阶段，此外，植物底盘细胞的相关技术开发有待大力加强，充分发挥植物底盘的独特性有望成为下一个行业突破点。
此外，对于国内植物合成领域从业者而言，知耕建议，一要持续重视技术源头创新，通过五大子领域国外在华专利分析可见，国外专利申请在中国始终占据相对优势地位，为打破国外专利壁垒，国内技术攻关之路任重道远；二要更加重视核心专利的申请，目前全球核心专利申请机构排名的前十位均为美国机构，而国内机构申请的专利被引用频次较低，专利质量和技术影响力均有待提高；三要加强重视自身专利保护的国际化布局，尽管中美均是世界重要的技术来源地区和技术应用市场，但美国的专利申请除本土外，在中、欧、日、韩都有广泛布局；而中国专利则主要集中在国内，其国际化布局非常稀缺，未来亟需多多加强，助力国内植物合成生物学技术商业化走向全球！
