中国作物育种研究热点与发展趋势——基于创新要素供给视角

黄怡淳

（广东省科技图书馆/广东省科学院信息研究所，广州 510075）

1 引言

当今世界，科学研究已进入多学科、多领域交叉融合，且在广度和深度上不断扩展的时代。科研形势的变化对科研人员在学科研究方向上的选择提出更高的要求，及时掌握学科热点的发展趋势情况，将有助于科研人员准确把握学科发展历程和方向、开展研究主题抉择、合理布局学科方向探索、科学分配研究资源。同时，学科热点的趋势变化情况将为政府有关部门制定促进学科发展、优化学科发展生态环境等政策措施提供参考。然而，新时代下信息技术创新日新月异，开放科学大背景下，数据密集型环境中学科热点的发展研判难度进一步加大。

种业科学是围绕“育繁推一体化”种业产业发展而形成的科学技术学科集群，作物育种是改良作物的遗传特性以培育高产优质品种的技术[1]。2021 年7 月9日，中央全面深化改革委员会第二十次会议审议通过了《种业振兴行动方案》。习近平总书记会上强调，农业现代化，种子是基础，必须把民族种业搞上去，把种源安全提升到关系国家安全的战略高度，集中力量破难题、补短板、强优势、控风险，实现种业科技自立自强、种源自主可控[2]。可见，种业已经成为国家战略性核心产业，作物育种领域的科技创新对于提升中国的种业国际竞争力以及保障粮食有效供给具有重大战略意义。据此，选取作物育种学科领域为研究对象，采用多维创新要素供给分析的方法，开展中国该领域研究热点的发展趋势分析具有研究的必要性、重要性、科学性。

2 相关研究综述

当前学科热点的分析主要基于词频统计[3]、共现聚类[4]、引文分析[5]、社会网络分析[6]、时间加权[7]、模型算法[8,9]等文献计量及内容分析方法。在学科热点趋势研究上，学者们主要通过学科领域的中长期文献资料的分析[10,11]，把握不同时期的研究热点现状，从而展望发展趋势。分析对象更多是基于单一的源数据，包括基于科技文献、专利信息等数据。然而，学科热点是动态演变的，其发展受多类创新要素的供给影响，包括国家战略需求牵引、政策支持引导、专项资金投入、国内外研究环境、科技人才储备等。其中，文献专利等科技成果仅代表从现有学科产出的角度分析研究热点，其能够侧面反映出当前的学科研究环境与科技人才储备情况，但成果产出未能体现出其他创新要素对未来一定时间内学科热点发展趋势的影响，方法具有一定局限性。在数据时代，科学决策更需要基于更加全面的数据格局、更加科学的关联角度。据此，基于创新发展要素的供给分析，在科技成果分析的基础上，研究国家战略需求、政策导向推动、研发资金投入等各类推动学科研究发展的资源要素对热点技术方向的集聚推动影响情况，可综合判断学科热点的发展趋势，该方法有望提高研究结果的全面科学性。

3 研究思路与数据来源

3.1 研究思路

以发展的眼光看，学科领域热点演变的影响因素非常多，包括国家战略需求的拉动、政策制度的支持导向、专项计划的资金投入等方面。这些资源要素赋以特定的研究方向更多的发展动能，在未来一定时间内，驱动学科领域研究热点的发展演变。因此，本研究将以多源数据为基础，采用关联分析的方法，在“成果基础”模块的学科热点分析结果上，综合考虑“发展要素”作用下的学科发展情况，剖析领域热点趋势。方法示意图如图1 所示，在成果基础模块，分析基础研究成果、应用研究成果以及权威行业报告所研究的成果产出情况，挖掘当前已具备相当研究基础力量的学科领域热点方向；在发展要素模块，开展国家战略需求、政策支持热点、研发专项计划资助方向等要素供给分析，分析各要素在当前以及未来一段时间区间内对热点的供给驱动、发展支持作用；最后，以关联分析的视角，综合成果基础模块与发展要素模块的结果，分析中国该学科领域在未来一段时间内研究热点的发展趋势。

图1 多维创新要素供给分析方法示意图Fig.1 Schematic diagram of the supply analysis of innovative development elements

3.2 数据来源

基础研究成果是指该学科领域的科技论文成果。本文以“作物育种”为主题，选择Web of Science（WOS）的SCI 论文数据库作为论文信息数据源，检索近5 年（2017—2021 年）的中国地区的全部“article”文献，再结合WOS 学科类别进行数据清洗。

技术创新成果是指该学科领域的专利成果。数据调研检索方法为Incopat 专利数据库，以“作物育种”为主题，结合IPC 分类号，检索2017—2021 年的中国专利申请，合并专利申请号进行分析。

权威行业报告是智库机构对相关学科领域数据分析研究的成果，报告结论可用于辅助分析、挖掘、验证学科领域的热点方向。数据调研检索对象包括中国科学院科技战略咨询研究院发布的《2020 研究前沿》、中国现代农业发展论坛发布的《2021 全球农业研究热点前沿报告》等重要报告。

国家战略需求是对国家政府机构发布的重要国家战略、规划文件的分析，数据调研检索对象包括国家发改委、国家农业农村部、国务院、科技部等官方网站文件。

政策支持热点分析是基于代表性省市政府重要规划文件中提及的与作物育种领域相关的支持、资助研究方向。根据国家统计局公布的2020 年农业总产值分省年度数据，排名前六的省市地区分别是河南（6 244.84 亿元）、山东（5 168.36 亿元）、四川（4 701.88 亿元）、江苏（4 102.16 亿元）、黑龙江（4 044.15 亿元）、广东（3 769.26 亿元）。基于此，数据调研检索对象涵盖六大省份的重点政府有关部门，包括六大省份的省委省政府、农业农村厅、科技厅等官方网站。

专项计划涵盖与作物育种领域相关的国家级重要研究资助专项计划。调研检索对象包括科技部国家重点研发计划“十四五”重大研发计划、科技部国家重点研发计划相关领域重点专项计划、国家自然科学基金委员会重大研究计划等项目。

4 数据分析与结果讨论

4.1 基础研究成果分析

近5 年中国作物育种领域SCI 论文检索结果显示，发文量为8 195 篇（检索至2021 年11 月19 日），将清洗后的关键词导入Gephi-0.9.2 进行聚类分析，并绘制作者关键词共现图谱（图2），最后依据模块、节点属性遴选出若干代表性模块（即研究主题）。通过各模块文献的内容分析，发现近5 年作物育种领域的基础研究热点方向包括：①对作物进行全基因组关联分析（GWAS），继而采用QTL 定位、SNP 标记等分子标记辅助选择育种；GWAS 分析检测作物目标性状候选基因；典型作物包括小麦、油菜等。②作物表型研究（高精度的作物表型获取技术，如采用精细映射对表型和SNP 进行关联），及其对作物产量、抗逆性等性状影响的关联分析。典型作物包括小麦、水稻等。③基于SSR 等分子标记方法开展作物种质遗传多样性、遗传图谱构建、群体遗传结构解析（连锁不平衡等）、遗传变异等研究；通过高通量测序开展基因分型策略、作物驯化和品种改良的关键基因研究等；开展种质资源分析与保护。④基于RNA-Seq 等RNA 测序技术作为转录组分析工具；识别作物在非生物胁迫和各种环境胁迫条件下差异表达的基因。⑤CRISPR/Cas 基因编辑技术、转基因技术、基因组编辑技术及其在作物育种中的应用。⑥单倍体育种、杂交制种方法；采用关联分析对作物杂交种进行性状综合评判。

图2 中国作物育种领域SCI 论文作者关键词共现图谱（Gephi；检索至2021.11.19）Fig.2 Co-occurrence map of author keywords of SCI articles in the field of crop breeding in China(Gephi;retrieved to 2021.11.19)

4.2 技术创新成果分析

通过IPC 分类号分析专利的技术构成发现，近5年中国作物育种领域专利主要集中在以下IPC 技术类别：A01H（新植物或获得新植物的方法；通过组织培养技术的植物再生），5 197 件；A01G（园艺；蔬菜、花卉、稻、果树、葡萄、啤酒花或海菜的栽培；林业；浇水），3 328 件；C12N（微生物或酶；其组合物；繁殖、保藏或维持微生物；变异或遗传工程；培养基），2 163 件；C07K（肽），722 件；A01C（种植；播种；施肥），473 件等。对主要的IPC 类别的专利内容进行高频词分析，结果发现（图3），近5 年中国作物育种领域的技术创新成果热点方向主要集中：组织培养（再生培养基、细胞工程）、作物杂交等传统育种技术；基因编辑、转基因技术、分子标记辅助育种等新育种方法；作物抗性调控基因的研究；作物栽培种植方法研究（栽培、育苗、嫁接、品种选育等）；优良性状有关的蛋白质及其编码基因、表达载体与应用等。其中，基因编辑育种技术相比转基因育种的技术发展更为迅猛。

图3 中国作物育种领域主要技术类别的专利高频词分析（Incopat；检索至2021.11.19）Fig.3 Analysis of high-frequency words of the major technical categories of patents in the field of crop breeding in China(Incopat;retrieved to 2021.11.19)

4.3 行业报告成果分析

通过调研近年来作物育种领域相关的权威行业报告（表1），提取相关智库机构分析出的学科领域热点方向，作为学科领域成果热点基础的进一步数据补充。从研究结果看，研究的热点涵盖了以下七大方向：①作物基因研究：泛基因组研究、基因组（基因组图谱）和转录组研究、进化基因组学与功能基因挖掘、基因组测序（大规模重测序等）与进化分析、抗性新基因发掘与利用；②作物性状改良：植物生物刺激剂、作物驯化与品种改良；③组学：作物代谢组学分析研究、基于多组学的功能基因研究及其性状形成机理；④基因编辑技术：作物基因编辑技术及其应用、植物基因转录与选择性剪切机制；⑤倍性育种：多倍体育种；⑥作物性状分子调控机理：如耐逆、抗性、品质改良、产量等；⑦作物栽种方法：作物间套作增产模式、遗传与栽培管理。

表1 相关权威分析报告提取的作物育种学科领域热点方向Table 1 Hot topics in crop breeding discipline from relevant authoritative analysis reports

4.4 国家战略需求分析

当今世界正处于百年未有之大变局，中国更是处于发展的新时期。越来越多的研究学者达成共识，科研选题需要从国家重大战略需求导向出发，以期聚焦国家急迫需求和长远发展中的重大问题，实现关键核心技术自主可控，保障中国“十四五”时期与更长时期的发展。因此，从需求驱动学科研究发展的角度，通过调研国家重大政策，提炼作物育种领域发展的国家战略需求，可分析该领域国内学者们的重要科学研究部署，剖析出学科领域研究热点发展趋势。本文调研了近年相关重要国家级政策中涉及的作物育种领域内容，从多个政策的集中指向性看（表2），中国作物育种学科领域的研究需求趋势包括：加强种质资源保护利用和种子库建设、农业良种技术攻关、生物育种（转基因、基因编辑、全基因组选择等）技术研究及推动产业化应用、现代育种技术创新（数字化智能辅助育种、精确育种、杂种优势利用、分子设计育种、高效制繁种等）等方向。

表2 相关重要国家级政策中涉及的作物育种领域内容（以发布时间排序）Table 2 Contents of crop breeding field involved in relevant important national policies(in chronological order)

4.5 政策支持热点分析

政策规划文件是政府机构支持科学和技术发展的重要手段。学科研究的发展往往是政府的指导、督促作用与科研工作者的研究积极性的有机结合。学科研究的政策引导上，一方面政府通过对学科领域全盘形势的研判来引领学科发展的重点突破方向；另一方面政府部门发挥宏观协调作用，通过各部门的政策集成支持学科领域关键方向的发展。因此，通过调研河南、山东、四川、江苏、黑龙江、广东等六大农业重要省市的政策规划文件（表3），从政策支持推动学科热点产生的角度，挖掘出该领域的热点趋势方向。从关键词词频分析发现（表4），相关热点趋势包括：种质资源保护和利用（出现频次为30）、生物育种（15）、种质资源精准鉴定（8）、分子指纹图谱库（7）、分子育种（4）、分子设计育种（3）、良种联合攻关（6）、基因挖掘（6）、种质资源库（4）、全基因组选择育种（4）、基因编辑（4）、种质资源表型（3）、种源关键技术（3）、精准育种（3）、高效繁育（3）、调控机理和遗传机制（3）、高通量分子鉴定（3）等。

表3 近年来相关重要省市重大政策规划中涉及的作物育种领域内容Table 3 Contents about crop breeding field involved in major policy plans of relevant important provinces and cities in recent years

表3 （续）Table 3 Continue

表4 政策支持热点关键词词频Table 4 The frequency of keywords involved in major policy plans

4.6 研发专项计划分析

科技专项和研发计划项目是科研活动开展的重要研发投入来源，通过依据专项指南申报立项的模式，定向资助的相关科研方向在未来将可预见地涌现一批科技成果。因此，从资源要素投入驱动学科发展的角度，调研专项计划指南的共性内容，将揭示出中国学科领域近期可能出现的热点方向。本文调研整理了近年来科技部国家重点研发计划“十四五”重大研发计划、科技部国家重点研发计划相关领域重点专项计划、国家自然科学基金委员会重大研究计划资助的相关热点方向（表5），包括：分子育种（基因编辑育种、性状的分子标记、分子设计育种等）、重要性状基因资源与调控分子机理、高效栽培、优质种质资源形成与演化、种质资源精准鉴定、种质资源挖掘技术（基因挖掘、分子标记等新技术）、种质资源多样性、新种质精准创制等。从资助强度看，相关热点方向的单项资助额度均在200 万元以上，资助力度大。

表5 近年来相关国家级研发专项计划资助的作物育种领域方向Table 5 Reesearch directions in crop breeding projects funded by relevant national R&D special programs in recent years

4.7 创新发展要素供给综合分析

在基础研究成果、技术创新成果、行业报告成果等成果产出的热点方向基础上，综合国家战略需求、政策支持热点、研发专项计划等发展要素的热点驱动发展分析结果，通过梳理产业边界与产业关键技术脉络，将相关热点的信息粒度进行统一调整。具体而言，将作物育种领域拆分为5 个一级技术分支，并根据技术构成情况，一级技术分支下分二级技术分支：生物育种一级分支（拆分为转基因、分子辅助育种、分子设计育种、基因组育种、基因编辑育种等二级分支）、常规育种（杂交育种、倍性育种、细胞工程育种）、种质资源（保护和利用、鉴定）、作物表型（表型研究）、性状改良（栽培种植与品种改良、性状分子调控机理、关键基因挖掘与研究）。将本文成果基础模块、发展要素模块分析所得的各热点方向按照二级技术分支进行归并及赋分：基础研究成果、技术创新成果、行业报告成果、国家战略需求、政策支持热点、研发专项计划各板块所分析的热点方向若提及特定二级技术分支，则该分支方向在该板块下记为分值“1”；各板块所分析的热点方向若提及特定一级技术分支，则该一级分支下属二级方向在该板块下记为分值“1”；各板块所分析的热点方向若无提及该二级技术分支，则记为分值“0”。根据表6 的各二级细分技术方向的分值总值，绘制各二级细分技术方向在成果基础模块与发展要素模块的关联分析图谱（图4），根据上文成果基础模块、发展要素模块所分析的热点方向具体技术内涵，进一步分析、解读成果产出热点方向及相关方向的多维创新要素供给情况。

图4 成果基础与发展要素供给关联综合分析图Table 4 Diagram of the comprehensive analysis of the relationship between the basis of achievements and the supply of development factors

表6 多维数据信息粒度统一调整及赋值Table 6 Unified adjustment and assignment of multi-dimensional data granularity

基于关联综合分析结果，可以发现，作物育种学科领域的热点方向可分为3 类：①成果基础与创新资源集成类。这类热点方向的特征是，科技成果产出与创新要素投入的技术方向相吻合。②创新资源要素集中类。与“成果基础与创新资源集成类”相比，这类方向成果基础模块分值较低，但发展要素模块分值高。③潜在发展类。这类方向的成果基础模块、发展要素模块分值均相对较低。在作物育种学科领域，由图3的分析结果发现，基因编辑育种技术（CRISPR/Cas、转录与选择性剪切等）、基因组育种（全基因组选择、GWAS 分析等）、分子标记辅助育种（采用QTL 定位、SNP 标记等手段）、作物性状调控的关键基因挖掘与分子调控机理（耐逆、抗性、品质改良、产量等性状调控）、栽培种植与品种改良方法（遗传与栽培管理、品种选育等）等热点方向归于第一类“成果基础与创新资源集成类”，其成果板块与发展板块的分值均处于高位（分值2～3）。这类热点方向的创新要素供给充足、研究基础雄厚，在需求拉动、政策推动、资金带动下，预计中国学者未来将在这类热点方向上开展更多深入的研究，产生更多高质量、阶段性的科研成果。分子设计育种（包括数字化智能育种辅助等其他定向精确育种技术创新方向）、种质资源保护和利用（种质资源多样性、种质资源形成与演化、新种质创制等）、种质资源精准鉴定（基于基因挖掘、分子标记等新技术）等方向归于“创新资源要素集中类”，这类方向的成果基础模块分值较低（分值为0～1），即这些热点方向当前的科技成果产出相对不显著，但是，这些方向的发展要素模块分值高（分值为2～3），在多维创新要素联合推动下，这类方向未来可能将有新的成果突破，形成更多细分热点方向，是研究人员值得关注、布局的关键技术方向。倍性育种（单倍体、多倍体育种和遗传转化体系）、杂交育种（杂交制种、杂交种性状评判）、细胞工程育种（组织培养与高效细胞工程技术等）、作物表型研究（表型数据获取及表型研究等）等方向归于“潜在发展类”，成果板块与发展板块的分值较低（合并分值在3 及以下），表明相关热点方向具有一定的学术价值及研究热度，在该学科领域发挥着重要作用，但未来有待研究人员注入新思路、挖掘新可能，通过原创突破、学科交叉、应用拓展等方式，提升这类研究的创新可持续发展潜力、激发新动能。综合3 类热点方向情况，中国作物育种学科当前在生物育种技术、作物性状改良及性状分子调控机理研究等方向的研究热度高、创新要素集中；在种质资源保护利用与精准鉴定、分子设计精准育种等方向创新投入度高，研究成果有望进一步拓展与突破；倍性育种、杂交育种、细胞工程育种等传统经典育种技术体系以及作物表型研究至今研究热度仍较高，但热点方向有待进一步注入创新要素以激发研究新动能；整体热点研究呈现“常规育种+现代生物技术育种+信息化精准化育种”的演变趋势。

5 结论与启示

学科热点的发展与成果基础储备、创新要素供给密切相关，现有的成果产出及研究结论为学科研究提供了基础“土壤”，多维创新要素的供给为研究提供了发展动力与保障。成果产出集中点与创新资源集聚点的关联分析，可站在学科发展、动态演变的角度上，充分考虑需求拉动、政策驱动、资金推动对学科研究的影响，更加科学把握学科热点发展趋势。

基于本文数据分析得出以下结论：作物育种学科领域热点方向分为成果基础与创新资源集成类、创新资源要素集中类、潜在发展类这三大类。综合3 类热点方向的分析，中国作物育种学科当前在基因编辑育种技术、分子标记辅助育种、基因组育种、转基因技术等现代生物育种技术，以及作物性状（耐逆、抗性、品质改良、产量等）调控的关键基因挖掘及性状分子调控机理研究、栽培种植与品种改良等作物性状改良等方向的研究热度高、创新要素集中，良好的研究基础叠加各类创新要素综合供给的效用，未来这类热点方向上中国有望产生一系列优质成果，其中，基因编辑育种在未来的产业应用上具有较高发展潜力；在种质资源保护利用与精准鉴定，分子设计、数字化智能育种等定向精确育种技术创新等方向的创新要素投入集聚度高，研究成果有望进一步拓展与突破，其中，智能设计育种则代表着育种4.0 时代的到来；在倍性育种、遗传转化体系、组织培养、细胞工程育种等传统经典育种技术体系研究，以及表型数据获取及表型研究等作物表型研究等方向至今研究热度仍较高，但各类创新要素供给力度较弱，这类热点方向有待进一步激发研究新动能。整体上看，该学科热点研究呈现“常规育种+现代生物技术育种+信息化精准化育种”的演变趋势。本项研究可为政府部门完善促进学科发展的政策体系、推动专项计划科学部署，以及为科研人员优化科学研究布局与资源配置提供科学参考。不过，本项研究仍存在一定的局限性：受篇幅限制，未能更为全面地分析成果基础模块、发展要素模块的热点方向及细分技术，有待今后进一步研究。