丁 倩, 吳 蕾, 張保龍, 張學福

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)信息研究所,北京 100081; 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院卓越創(chuàng)新中心,江蘇南京 210014)

基因組學作為生命科學領域蓬勃發(fā)展的新興學科,通過研發(fā)基因組的結構、功能、進化、定位和編輯的進展與突破[1],在農(nóng)業(yè)基礎生物學研究中發(fā)揮著引領作用,同時也成為生物種業(yè)、植物保護、畜禽疫病防治的發(fā)展新引擎。目前,我國仍面臨糧食安全、耕地水土資源制約、生態(tài)環(huán)境壓力、新冠疫情肆虐等重壓,急需在戰(zhàn)略必爭的農(nóng)業(yè)基因組學等農(nóng)業(yè)基礎科學和前沿技術領域?qū)崿F(xiàn)率先跨越,全面提升自主創(chuàng)新能力和轉化水平,推動我國由農(nóng)業(yè)大國向農(nóng)業(yè)強國邁進?；蚪M學的基礎研究和技術研發(fā)國際競爭激烈,與農(nóng)業(yè)學科交叉融合越來越深入,通過分析論文、專利等數(shù)據(jù)思考我國農(nóng)業(yè)基因組的研發(fā)態(tài)勢具有現(xiàn)實意義。

本研究以全球發(fā)表的研究論文和相關專利為切入點,利用Web of Science數(shù)據(jù)庫核心合集收錄的SCI和SSCI論文數(shù)據(jù)合集和incoPat數(shù)據(jù)庫收錄的專利數(shù)據(jù),檢索時間為2022年1月,進而將基因組學基礎研究中與主要農(nóng)業(yè)具體學科的交叉融合作為交叉數(shù)據(jù)集,對其系統(tǒng)梳理,通過目標領域的研究活躍程度、論文總被引頻次、研究影響力等分析其基本現(xiàn)狀[2]。

1 我國農(nóng)業(yè)基因組學在全球的占位分析

1.1 農(nóng)業(yè)基因組學基礎研究

經(jīng)統(tǒng)計,2001年1月至2021年12月,世界農(nóng)業(yè)基因組學發(fā)表在SCI和SSCI的論文共13 972篇。其中,我國以4 864篇的發(fā)文量排第1,占全世界的 1/3,但論文被引頻次、高被引論文數(shù)量排名僅第2,且篇均被引頻次僅排第9。美國發(fā)文量雖然排第2,但論文被引頻次、篇均被引頻次和高被引論文數(shù)量均排第1(表1)。表明我國在農(nóng)業(yè)基因組研究活躍,受到世界同行的關注,但總體研究影響力不夠。近些年,我國在基因與遺傳學的論文競爭力排名第1,特別是關于水稻基因組學的研究高質(zhì)量論文多,影響力較大?；蚪M學與農(nóng)業(yè)領域的深度融合,在動植物生物育種和品種改良、生物防治、獸藥與疫苗、食品安全等方面均取得了長足進展。

表1 農(nóng)業(yè)基因組學領域主要論文產(chǎn)出情況

1.2 農(nóng)業(yè)基因組學技術研發(fā)

通過incoPat專利數(shù)據(jù)庫檢索,2001年1月至2021年12月全球農(nóng)業(yè)基因組相關專利申請12 710件,進行專利族合并后為6 490項專利族申請(單件專利的統(tǒng)計單位為件,專利族的統(tǒng)計單位為項,可包含多件專利),獲得授權的專利共6 985件,總體均呈上升趨勢。其中,中國專利申請7 054件,排名第1,授權專利4 318件(圖1)。全球排前10的專利申請人有10家機構,其中1家為國外機構,其余9家均為中國機構。技術目標地方面,在中國申請的專利7 080件,其中,我國本土申請6 772件,國外來華申請308件,我國成為主要技術目標市場。中國申請人主要為科研機構和大學,國外申請人主要為陶氏杜邦、孟山都、巴斯夫、拜耳等涉及種子、農(nóng)藥、疫苗的公司。

獲得授權且incoPat合享價值度(合享價值度主要依賴于合享新創(chuàng)自主研發(fā)的專利價值模型實現(xiàn),該專利價值模型融合了專利分析行業(yè)內(nèi)最常見和重要的技術指標,如專利類型、被引證次數(shù)、同族個數(shù)、同族國家數(shù)量、權利要求個數(shù)、發(fā)明人個數(shù)、涉及IPC大組個數(shù)、專利剩余有效期等)在 8～10分的專利稱為高價值專利。將農(nóng)業(yè)基因組方面的專利分為植物、動物、微生物進行進一步檢索,結果顯示,在中國涉及農(nóng)業(yè)基因組的專利申請非?；钴S,特別是授權高價值專利在上述學科方面全球排第1位,表明我國農(nóng)業(yè)基因組技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作正蓬勃開展(表2)。

表2 基因組學與農(nóng)業(yè)各學科交叉專利產(chǎn)出情況 件

目前,我國農(nóng)業(yè)領域中針對高通量測序(NGS)技術的研究包括:采用連接酶測序原理的PSTAR-Ⅱ系列測序系統(tǒng)、AG系列測序系統(tǒng);采用焦磷酸測序原理的BIGIS系列測序系統(tǒng),基于熒光標記焦磷酸發(fā)光原理研發(fā)的NGS技術及第三代測序技術[3];開展DNA分子標記技術、生物芯片技術、基因功能研究重要技術、基因組學信息技術等研究。

2 我國農(nóng)業(yè)基因組學研究進展

根據(jù)農(nóng)業(yè)基因組學主題聚類分析和主題時序演化分析,我國農(nóng)業(yè)基因組學主題聚類和時序演化基本與世界同步,基因組主要交叉于作物和園藝、畜牧獸醫(yī)、植物保護3個學科,聚集在基因組測序和數(shù)據(jù)庫構建及基因組序列注釋研究、遺傳學和基因組學關聯(lián)研究、復雜性狀基因組特征模型分析、功能基因組學及基因組選擇研究、微衛(wèi)星DNA多態(tài)性標記研究、基因和基因組的起源與進化研究、全基因組選擇中準確性的影響因素研究。在研究進程中,不同主題內(nèi)部進行了融合,研究方向的相似性逐漸升高,但由于研究方法和手段不斷進步,仍產(chǎn)生出一些新思路。

2.1 我國農(nóng)業(yè)基因組學優(yōu)勢交叉領域

2.1.1 作物和園藝 世界農(nóng)業(yè)基因組學發(fā)表在SCI和SSCI的論文共9 116篇。中國以3 158篇的發(fā)文量排第1,論文被引頻次、高被引論文排第2,篇均被引頻次排第9;德國的篇均被引頻次、美國的高被引論文數(shù)量分排第1(表3)。此學科中國研究論文質(zhì)量較高,中國農(nóng)業(yè)科學院發(fā)文量在該領域全球最高,為57篇。

表3 基因組學與作物和園藝學科交叉論文產(chǎn)出情況

目前,我國基因組學在植物領域的研究多涉及水稻、小麥、玉米、大豆四大農(nóng)作物,以及大麥、棉花、藜麥、黃瓜類等品種增產(chǎn)、抗病、抗逆、抗蟲的育種改良[4]。2002年我國啟動了主要作物功能基因組計劃,在結構基因組學取得進展的基礎上,多個作物全基因組測序已經(jīng)完成,模式植物功能基因組研究取得突破性進展。我國水稻功能基因組學研究一直走在世界前列,從參加國際水稻基因組測序計劃,獨立完成了水稻第4染色體的測定,到領導完成3 000份水稻基因組的重測,并解析3 000份水稻核心種質(zhì)資源的基因組變異,水稻是第1個完成基因組測序的作物,并已經(jīng)成為作物功能基因組研究的模式植物[5]。如對秈稻品種蜀恢498進行測序和深入研究,組裝成功高等動植物中質(zhì)量最高的水稻基因組,并已建成較為完備的功能基因組研究平臺和全球首張高密度育種芯片[6]。我國科研人員揭示了亞洲栽培稻全基因組功能單倍型自然變異特征。雜草稻對我國糧食安全的危害近年來日趨嚴重,通過水稻基因組研究進展可對國內(nèi)的雜草稻起源與進化進行解析[7-8]。小麥基因組非常龐大且結構異常復雜,嚴重制約了小麥功能基因組學研究和育種工作的深入。我國已完成了小麥A、D基因組序列的測定,并繪制了完整的高精度圖譜[9]。在玉米基因組學研究方面,組裝出了較高質(zhì)量的玉米Mo17和mexicana基因組,并深入研究以挖掘來自野生玉米材料中的優(yōu)異基因[10]。在大豆泛基因組研究方面,在植物中首次實現(xiàn)了基于圖形結構基因組的構建,被審稿人稱為“基因組學的里程碑工作”[11]。在棉花基因組學方面,完成了棉花D、A、AADD、TM-1和ZM24基因組圖譜,組裝了草棉基因組,更新了亞洲棉(A2)和陸地棉(AD1)基因組,重測序了318份棉花品種[12];領銜繪制完成二倍體和四倍體棉花基因組圖譜,解析了亞洲棉遺傳多樣性及生態(tài)演化的遺傳學基礎,揭示了陸地棉核心種質(zhì)基因組變異及其影響纖維品質(zhì)和產(chǎn)量的關鍵位點,為批量發(fā)掘棉花產(chǎn)量品質(zhì)相關分子標記或基因奠定了基礎[13]。

在蔬菜基因組測序研究方面,中國農(nóng)業(yè)科學院、北京農(nóng)林科學院、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所和華中農(nóng)業(yè)大學等科研團隊,先后繪制完成了黃瓜、番茄、西瓜、大白菜、甘藍等蔬菜園藝作物的全基因組序列圖譜和變異圖譜,并利用組學大數(shù)據(jù)挖掘重要農(nóng)藝性狀基因,克隆了控制果實品質(zhì)與調(diào)控、株型建成、開花時間、抗病抗逆等重要性狀的上百個重要基因,與世界領先國家處于同一水平。此外,我國科研團隊完成首個毛竹全基因組測序,首次成功破解了2種棕櫚藤全基因組數(shù)據(jù),發(fā)布了最新毛竹高精度基因組數(shù)據(jù),我國竹藤分子生物學研究始終處于世界領先水平;解析了黃瓜基因組序列特征,闡明了黃瓜馴化和分化的基因組學基礎,發(fā)現(xiàn)黃瓜苦味物質(zhì)合成和調(diào)控的機制以及性別決定的新基因[14];構建并升級補充了白菜泛基因組,構建了第1個蘿卜屬級的泛基因組;采用最新的測序技術和組裝算法,成功實現(xiàn)了雜合二倍體馬鈴薯的基因組組裝;在中國李、桃、鐵觀音茶樹組裝和深入研究方面也取得了進展。

2.1.2 畜牧獸醫(yī) 世界農(nóng)業(yè)基因組學領域發(fā)表的SCI和SSCI論文共7 127篇。中國以2 296篇的發(fā)文量排第1,論文被引頻次、高被引論文排第2,篇均被引頻次排第9;澳大利亞的篇均被引頻次、美國的高被引論文數(shù)量分排第1(表4)。中國科學院發(fā)文量在該領域全球最高,達291篇。

表4 基因組學與畜牧獸醫(yī)學科交叉論文產(chǎn)出情況

我國已完成豬、牛、羊等的參考基因組序列測定,在產(chǎn)奶量、對蛋白質(zhì)的重視、產(chǎn)脂量、產(chǎn)蛋白量、乳腺炎癥狀、泌乳難易程度、肉質(zhì)性狀等生產(chǎn)性狀,以及飼料效率、耐熱性、疾病抵抗力、生育能力、壽命、甲烷排放等其他重要性狀上陸續(xù)完成了一系列重要遺傳學問題的解析工作。在牦牛基因組學方面,測定了牦牛的全基因組序列,為高海拔地區(qū)所特有的牛屬家畜改良注入了活力[15]。在家豬方面,測定了五指山豬近交系個體的全基因組序列,對10個代表性豬種基因組序列進行策略組裝,以形成一個更加完整的豬參考基因組[16]。山羊、綿羊的基因組測序和物種進化關聯(lián)研究也取得了進展[17-18]。在家禽方面,公布了北京鴨、鵝的基因組草圖,在基因水平上探索鴨、雞對流感病毒的耐受性[19-20]。禽基因疫苗研究進展大,率先發(fā)現(xiàn)H7N9高致病性禽流感病毒,揭示我國H7N9病毒起源和進化規(guī)律,并研發(fā)出高效防控疫苗。水產(chǎn)方面,自主創(chuàng)新算法解析非洲肺魚基因組,在遺傳育種、疾病防治和醫(yī)藥等方面的研究應用也取得較大進展。

2.1.3 植物保護 世界農(nóng)業(yè)基因組學領域發(fā)表的SCI和SSCI論文共1 039篇。中國以465篇的發(fā)文量排第1,論文被引頻次、高被引論文排第2,篇均被引頻次排第10;美國的篇均被引頻次和高被引論文數(shù)量均排第1(表5)。中國科學院發(fā)文量在該領域全球最高,為54篇。該學科與作物和園藝、畜牧獸醫(yī)相比,研究發(fā)文量少、論文影響力也低。

表5 基因組學與植物保護學科交叉論文產(chǎn)出情況

目前,在農(nóng)業(yè)昆蟲方面,已完成10余種與農(nóng)業(yè)相關的昆蟲基因組測序和組裝,在基因水平上解析昆蟲的遺傳發(fā)育、取食遷飛、免疫防御等科學問題,為農(nóng)業(yè)害蟲的精準防治、分子設計抗病蟲育種提供了新途徑。在生物農(nóng)藥方面,建立了包括病毒DNA、dsRNA和Bt蛋白的基因水平的納米材料載體殺蟲技術平臺,為核酸型農(nóng)藥的高效應用提供了新技術基礎[21]。RNA干擾技術已廣泛用于農(nóng)業(yè)昆蟲基因功能方面的研究[22]。突破全基因組掃描分子特征分析、高通量檢測和溯源為轉基因安全提供了保障。

2.2 我國農(nóng)業(yè)基因組學潛力交叉領域

與歐美等發(fā)達國家相比,我國的農(nóng)作物、畜牧業(yè)差距較大,原因之一在于種養(yǎng)殖技術落后,表現(xiàn)在品種品質(zhì)、抗病性、成活率等方面。作為農(nóng)業(yè)中“芯片”的種業(yè),一些動植物種類由于種養(yǎng)殖品種非常依賴進口引入,面臨著國外“卡脖子”的困境。如糧食作物中的大豆、玉米、馬鈴薯;蔬菜方面,胡蘿卜引進品種達50%,番茄、蘿卜、白菜等大眾蔬菜達10%～40%[23]。

畜禽養(yǎng)殖中,由于我國豬種質(zhì)資源缺乏,使得育種受限,至使豬品種長期依賴進口引入。水產(chǎn)動物(如蝦、蟹)基因芯片技術等基因組方面研究還在啟步階段。微生物在關鍵菌種上缺乏擁有自主知識產(chǎn)權的核心菌種,關鍵原料和技術仍受制于國外。這些薄弱領域急需加強基因組學的研發(fā),為其注入原創(chuàng)動力。

在新起步領域的潛力,如目前已繪制完成蒙古羊、蒙古牛、蒙古馬和阿拉善駱駝4個物種的全基因組序列圖譜,從比較基因組學角度分析了4種我國家養(yǎng)雉雞的線粒體基因組特征,首次破譯鹿科動物全基因組序列,組裝出中國特有鯉科魚類黑尾近紅鲌的染色體水平基因組,這些研究成果為躍居世界領先水平打下了基礎。

此外,目前構建完整植物基因組、復雜基因組和泛基因組方面仍具挑戰(zhàn)。植物多倍化、雜合度、大基因組仍是植物基因組測序的主要障礙。在未來的幾十年里,平均讀長更長的測序技術、優(yōu)化的組裝算法和泛基因組分析工具等,將是未來的植物基因組測序需重點突破的方向。

3 結論及思考

近些年,世界農(nóng)業(yè)基因組學研究與技術創(chuàng)新發(fā)展迅猛,基因組學加速向農(nóng)業(yè)領域滲透,且融合度呈上升趨勢。未來,農(nóng)業(yè)基因組研發(fā)突破,并向產(chǎn)業(yè)應用加速,勢將為生物種業(yè)、疫病防治、環(huán)境保護等帶來顛覆性革命,全球競爭必將越演越烈。我國農(nóng)業(yè)基因組學研發(fā)整體起步較晚,但我國高度重視,專門安排了研發(fā)計劃,積極開展科研活動,在全球發(fā)文量排第1,被引頻次、高被引論文排第2,專利申請量排第1,這些均反映我國農(nóng)業(yè)基因組學研發(fā)取得了長足進步,在國際領域處于重要位置。但是,目前我國農(nóng)業(yè)基因組學研發(fā)與國際領先水平有一定差距,論文影響力不強,缺乏領頭性的重大成果;專利也是量大質(zhì)低,突破性、重大性技術成果不多,且在國外布局少。因此,如何搶占這塊高地需要從各個層面進行深入思考。

3.1 加強農(nóng)業(yè)基因組研發(fā),并與其他組學、新技術融合發(fā)力

基因組學的相關知識和系列研究方法顯示出較強的交叉學科張力,但與農(nóng)業(yè)各學科的融合度不一,在農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品加工等領域融合度還較低?；蚪M學實用技術創(chuàng)新與應用不足,且基因組學、生物信息學等基礎研究成果與應用缺乏有機聯(lián)系,現(xiàn)代分子生物技術與常規(guī)技術結合不緊密。未來我國需在測序技術、群體設計、表型測定、系統(tǒng)學研究方面發(fā)力,努力在基礎研究中獲取重大突破,提升我國農(nóng)業(yè)基因組在國際上的影響力;加強農(nóng)業(yè)基因組的新技術及其衍生技術的源頭創(chuàng)新,實現(xiàn)跨越發(fā)展,提升國際地位,并持續(xù)推進技術優(yōu)化和實用性改良,加強重要性狀形成的遺傳基礎與調(diào)控網(wǎng)絡研究,挖掘具有重大育種利用價值的基因,落地全基因組選擇和分子設計育種,加強農(nóng)業(yè)基因組與其他相關組學和農(nóng)業(yè)基因組編輯技術、基因組學信息技術、農(nóng)業(yè)合成生物學等新興技術的深度交叉融合,在農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)力;要在領跑領域突破跨越,在優(yōu)勢領域擴大優(yōu)勢,在弱勢領域啟動提速。

3.2 集聚優(yōu)勢,構建銜接融通農(nóng)業(yè)基因組學研發(fā)創(chuàng)新應用鏈條

目前,我國農(nóng)業(yè)基因組學基礎研究、技術及轉化資源,分別分布在高等院校、科研院所和企業(yè),由于研發(fā)力量的切塊,加上基因組學學科交叉性強,使得基礎理論、技術創(chuàng)新研究到成果的落地,中間各環(huán)節(jié)脫節(jié)現(xiàn)象突出,形成不了無縫鏈條。基因組學研發(fā)領先國家,其成果應用目的性極強,陶氏杜邦、孟山都、巴斯夫、拜耳、瑞克斯旺種苗集團等跨國公司在專利技術來源的研發(fā)機構中名列前矛。未來我國需要統(tǒng)籌優(yōu)化科技計劃體系,實現(xiàn)創(chuàng)新鏈條上中下游有效銜接,注重企業(yè)超前融入,提升融合層次和深度,強化優(yōu)勢互補,需優(yōu)化項目布局,加強在國外的申請,促進科技平臺共建共享、聯(lián)合完成重大科研項目、聯(lián)合培養(yǎng)人才等,真正形成從理論、技術到產(chǎn)品的無縫對接。

3.3 強化基礎支撐,打造高質(zhì)量的平臺和優(yōu)美的環(huán)境

在基礎支撐上,我國須強化體制機制、資金、平臺、人才等科技資源的基礎支撐,加大政策激勵力,激發(fā)農(nóng)業(yè)基因組學原創(chuàng)活力;探索參與農(nóng)業(yè)基因組學研發(fā)的科研院所、高校、公司企業(yè)緊密結合、良性互動的有效機制,健全法律法規(guī),重視基因組學技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展;注重國際合作與交流;多措并舉推動體制機制創(chuàng)新,探索適合農(nóng)業(yè)科研規(guī)律和特點的組織方式和管理模式?；蚪M學屬于資金技術密集型產(chǎn)業(yè),需要國家、企業(yè)加大并持續(xù)穩(wěn)定投入。在高質(zhì)量平臺建設上,我國須聚焦國家重大戰(zhàn)略需求,強化統(tǒng)籌部署,建設新型高效協(xié)同創(chuàng)新平臺體系;推動建設國家重點實驗室,全面提升原始創(chuàng)新力;建設高質(zhì)量創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)共同體,推動資源聚集和優(yōu)化配置。同時,我國須創(chuàng)造利于農(nóng)業(yè)基因組學創(chuàng)新的人文環(huán)境,特別是加快建設農(nóng)業(yè)基因組學人才隊伍,著力培育領軍人才、青年人才、創(chuàng)新團隊,建設戰(zhàn)略咨詢專家?guī)?為前沿預測與戰(zhàn)略布局精準把脈;激勵青年科技人才成長,對創(chuàng)新團隊優(yōu)化整合,對優(yōu)勢人才團隊給與重點支持;積極培育基因組學技術開發(fā)與成果轉化人才隊伍,促進科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展有效銜接。