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| 现代生物技术研究概况及趋势 |
| 第739期 作者：□文/董小菁 张 倩 孙洪武 时间：2024/10/16 15:38:07 浏览：15次 |
［提要］ 现代生物技术是新一轮科技革命的重要推力，引领国家未来新兴产业的形成与发展，厘清现代生物技术发展现状，探索现代生物技术发展方向，对推动我国现代生物技术领域发展具有重要意义。本文运用MATLAB与Citespace等软件，分别从总领域、技术子领域和应用总领域的发文量、研究机构、关键词、聚类等方面，对Web of Science核心数据库收录的273，336篇SCI论文进行可视化计量分析。研究发现：总体上现代生物技术国际研究呈现出增长态势，但在分领域存在差异，主要研究力量集中在亚洲、北美洲和欧洲。同时发现，纳米粒子、药物输送、体外、癌症、细胞、金纳米粒子等成为国内现代生物技术研究的热点，且已在医学、农业、食品加工等领域广泛应用。
关键词：现代生物技术；文献计量；可视化
基金项目：江苏省农业科技自主创新资金项目（项目编号：CX（22）1007）。通讯作者：孙洪武
中图分类号：Q3 文献标识码：A
收录日期：2024年1月25日
引言
现代生物技术是21世纪科技创新的前沿，引领国家新兴产业的形成与发展。现代生物技术在促进国家科研核心竞争力与产业国际影响力的提升上发挥着重要作用。近年来，全球现代生物技术不断取得重大突破，并广泛应用于多个与国计民生、国家安全息息相关的重要领域，成为推动全球经济社会发展的核心驱动力。尤其是新冠肺炎疫情爆发以来，现代生物技术在获取病毒免疫原、分离相关亚单位、获取重组蛋白或合成相关DNA等疫苗研发阶段发挥了关键性作用。目前，中国现代生物技术在临床救治、生物育种、药物检测等方面蓬勃发展，并取得了重大突破，但仍存在基础研究短板突出、原创性技术缺乏、关键核心技术自主研发不足等突出问题。因此，本文通过探索中国现代生物技术的研究发展态势，并与世界现代生物技术强国做横向对比，分析中国基础研究的优势与短板，为促进中国现代生物技术的科研发展提供数据支撑与完善建议。
现代生物技术一直是国内外学者关注的焦点，国内外学者对现代生物技术的相关问题进行了大量研究，主要集中在以下几个方面：（1）将现代生物技术细分为基因工程、细胞工程、蛋白质工程、酶工程、发酵工程，常见的技术包括遗传技术、基因技术、细胞技术、发酵技术、蛋白质技术、生物酶技术，主要应用于食品、医药、农业、环境、工业等领域。（2）现代生物技术对经济社会的贡献，包括推动产业向高科技、绿色化转型；提高农业生产率、降低生产成本、改善产品质量；开发工业新产品、减少特定生产水平的环境足迹；将分子生物学和细胞操作相结合，生产有效且有特定价值的产品等。（3）生物技术可能会给人类带来潜在的危险，比如生物多样性的保护、威胁人类健康以及伦理道德上的争论。随着现代生物技术的发展，生物安全风险正转化为现实的生物安全问题。生物技术可能会因未知毒素、过敏原或营养成分变化产生对人体危害。通过文献梳理发现，有关现代生物技术的研究内容主要涵盖分类、贡献及其可能产生的负面影响，集中在现代生物技术的应用效果分析，缺乏对现代生物技术研究文献的梳理和计量分析。
基于此，本文运用科学计量方法对Web of Science全球科研文献索引数据库中2011～2020年的现代生物技术文献进行可视化分析，借助词频统计、LDA主题模型算法等工具绘制科学图谱，从时间和空间维度对现代生物技术领域的科研创新力量、科研成果和影响力进行分析，刻画现代生物技术研究热点及前沿问题，有效反映国内外现代生物技术的研究发展态势，有助于本领域研究人员追踪研究发展脉络，探索研究前沿。
一、研究方法与数据来源
（一）研究方法与工具。本研究借助Matlab及Citespace工具，采用文献计量、词频统计及聚类分析的方法对现代生物技术领域研究发展脉络及态势进行研究。首先，对全球及主要国家的外文文献进行对比分析，探索国内外现代生物技术的研究发展态势。其次，对中国现代生物技术不同地区、不同属性机构外文文献进行分析并获取高频词汇，探索我国现代生物技术基础研究在地理空间、机构空间、研究空间上的分布以及中国现代生物技术的研究热点和研究前沿。最后，统计中国现代生物育种外文文献，重点探索中国现代生物技术在生物育种领域的基础研究及应用情况。
（二）数据来源与数据处理。本研究关注中国现代生物技术研究的演进过程和结构，重点分析中国现代生物技术在生物育种领域的发展应用情况。数据来源主要分为四个部分，研究文献均来源于Web of Science数据库：
第一，设置主题为“Biotechnology|Enzyme engineering|Fermentation engineering|Cell engineering|Genetic engineering|Protein engineering”，时间跨度为2011～2020年，共检索出273，336条文献数据，作为全球现代生物技术发文量。第二，结合前人研究按照技术范畴将现代生物技术细分为酶工程、发酵工程、细胞工程、基因工程和蛋白质工程等五个方面，分别设置主题为“enzyme engineering” “fermentation engineering” “cell engineering” “genetic engineering” “protein engineering”，时间跨度为2011～2020年，作为全球现代生物技术细分技术领域发文量。第三，按照应用范畴将现代生物技术细分为农业生物技术、环境生物技术、工业生物技术、医药生物技术、海洋生物技术、食品生物技术，并分别确定不同领域的搜索主题，其中农业生物技术为“biotechnology & agricultural” “biotechnology & forestry” “biotechnology & fishery” “biotechnology & fisheries” “biotechnology & plant” “biotechnology & animal husbandry” “biotechnology & farming” “biotechnology & breeding” “biotechnology & seeds”；环境生物技术为“biotechnology & pollution” “biotechnology & environmental” “biotechnology & environment” “biotechnology & heavy metals” “biotechnology & energy sources”；工业生物技术为“biotechnology & industrial” “biotechnology & manufacturing”；医药生物技术为“biotechnology & pharmaceutics” “biotechnology & pharmaceutical” “biotechnology & vaccine” “biotechnology & inflammation” “biotechnology & clinical” “biotechnology & medicine” “biotechnology & medical”；海洋生物技术为“biotechnology & oceanography ” “biotechnology & ocean” “biotechnology & marine” “biotechnology & seawater” “biotechnology & brine”；食品生物技术为“biotechnology & food” “biotechnology & brewing”，时间跨度为2011～2020年，作为全球现代生物技术细分应用领域发文量。第四，设置主题为“biotechnology & breeding” “biotechnology & seeds”，时间跨度为2011～2020年，共检索出28，487条文献数据，筛选出作者国籍为“China”的文献，最终确定8，933条文献数据作为中国现代生物技术生物育种领域的发文量。
二、全球现代生物技术研究发展趋势
（一）全球现代生物技术研究发展趋势。本文使用文献计量法分析近十年现代生物技术的发展历程，依据文献数量变化和时序规律统计分析，揭示现代生物技术领域的发展状况，如图1所示。整体上看，除2020年外，现代生物技术领域发文量数据庞大并呈增长趋势，但增幅波动明显，尤其是2012～2013年与2016～2017年出现爆发性增长，年增幅分别达23.59%、32.72%，其余年份年增幅均低于20%，2014～2015年发文量增长最少，年增幅为0.36%。（图1）
（二）全球现代生物技术子领域研究发展趋势
1、现代生物技术核心技术领域发展趋势。不同技术领域的发文量可在一定程度上反映现代生物技术的研究重点与热点，图2展示出现代生物技术的基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等五个核心技术工程2011～2020年的发文趋势。整体来看，除2020年外，五个领域均呈现稳步增长态势，但发文量及波动幅度存在显著差异。发文总量从高到低依次为细胞工程、蛋白质工程、基因工程、酶工程、发酵工程。发文量波动上，细胞工程、基因工程、蛋白质工程、酶工程发展趋势相似，以2015年为转折点可将这些领域研究分为2个阶段：2011～2015年的“稳步增长期”，本时期四个领域的发文量相对较少且增幅较小；2016年至今的“快速爆发期”，此阶段四个领域发文量较前一阶段均快速增长，表明细胞工程、基因工程、蛋白质工程逐渐成为国内外学者关注的研究热点。相较于其他四个领域，发酵工程发展相对缓慢且增速不明显，仅在2018～2019年有小幅度增长，年增长量首次超过1，000篇。（图2）
2、现代生物技术应用领域发展趋势。不同应用领域的发文量可在一定程度上反映现代生物技术的实际应用需求及效果，图3展示出现代生物技术的海洋、环境、工业、农业、医药、食品等六大应用领域2011～2020年的发文趋势。整体来看，六个领域的发文量稳步增加，发文数量及增长幅度亦存在明显不同。医药领域发文量最多，且增速较快，可见现代生物技术在医疗领域的应用最为广泛，其次为农业、工业、环境、食品，海洋领域发文量最少且始终呈低迷之势，年平均发文量仅有608篇左右，说明现代生物技术在海洋领域应用极少，尚处于起步阶段。（图3）
（三）中美现代生物技术领域发文量对比分析。经统计，2011～2020年现代生物技术领域总发文量位居前6位国家依次为中国、美国、印度、德国、英国和日本，发文量分别为67，527篇、54，701篇、20，015篇、15，931篇、13，637篇、13，500篇，中美两国发文量远超过其余国家，可见中国和美国是现代生物技术基础研究产出的主力军，科研力量远超过其他国家。基于此，本文选择中国和美国现代生物技术分领域发文量进行重点对比分析。
1、中美现代生物技术主要核心技术领域发展趋势。表1列出了2011～2020年中美现代生物技术酶工程、发酵工程、细胞工程、基因工程、蛋白质工程等五大主要核心技术领域的发文量。从整体上来看，相较于美国，中国发文量在酶工程、发酵工程以及基因工程领域具有绝对优势，尤其是基因工程，总发文量超出美国9，689篇；细胞工程与蛋白质工程，两国发文量差距较小，细胞工程差距最小，仅有1，242篇。在发展趋势上，总体而言，中美五大领域的发文量均在不断增加，但是2020年受新冠肺炎疫情影响，除了中国在发酵工程领域内发文量保持增长态势以外，其余领域两国发文量均显著减少。两国对比来看，酶工程领域：2012年中国发文量首次超越美国后，差距不断拉大；发酵工程、细胞工程领域与蛋白质工程领域：以2016年为转折点，2016年以前美国发文量一直领先中国，2016年中国首度超过美国，并在保持领先优势；基因工程：以2015年为转折点，2015年以前中美两国发文量相当，2015年以后中国发文量多于美国，并在随后进入高速增长阶段。（表1）
2、中美现代生物技术主要应用领域发展趋势。表2列出了2011～2020年中美现代生物技术农业、环境、工业、医药、海洋、食品等六大主要应用领域的发文量。整体来看，相较于美国，中国发文量在农业和工业领域优势最大，其次为环境、食品、医药领域，差距最小的为海洋领域，仅有416篇。应用领域的发展趋势与技术领域相似。两国对比来看，农业、环境与工业领域，中国在总量和增速上均保持领先优势；2015年后中国在医药领域发文量超过美国，并保持领先优势；与其他领域相比，海洋和食品领域中美两国均发文相对较少。
总体看来，中国现代生物技术基础研究于2016年进入飞速发展阶段，并一跃成为全球发文量排名第一的国家，究其原因可能得益于中国政府于“十三五”期间大力推进现代生物技术发展的重要举措。2016年，国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》作出超前布局生物技术作为战略性产业之一的总体部署，并提出“到2020年，生物产业规模达到8万～10万亿元，形成一批具有较强国际竞争力的新型生物技术企业和生物经济集群”的重要目标。2017年，国家发展改革委印发《“十三五”生物产业发展规划》的通知，提出生物产业是中国战略性新兴产业的主攻方向，加快推动生物产业成为国民经济的支柱产业。国家的大力支持与重要部署直接推动了整个现代生物技术的发展，越来越多的学者加大对现代生物技术领域的关注，并推动了现代生物技术的应用，因此本领域逐渐成为研究的热点。（表2）
三、中国现代生物技术及重点领域研究发展趋势
（一）中国现代生物技术基础研究机构及层级分布。不同机构的发文量一定程度上反映了该机构在现代生物技术领域的研究水平。表3列出了2011～2020年中国现代生物技术研究领域排名前15位的科研机构发文及排序情况。科研产出单位包括高等院校、科研院所、企业及政府部门等，按照层级可将产出单位分为双一流高校、国务院隶属科研院所、地方高校、地方科研院所、地方政府部门、经营性企业等六大序列。前15位科研机构的发文量为22，309篇，占全国总发文量的33%左右。从科研机构来看，发文量排名前15的机构中，除中国科学院与中国农业科学院以外，其余13个机构均为双一流高校，表明高等院校是现代生物技术基础研究的主力军。但发文量排名第一的机构为中国科学院，发文数量遥遥领先，是中国现代生物技术研究中的领军力量。从地区分布来看，以北京、上海为主的一线城市是现代生物技术科研力量集聚地，发文量排名前15的机构中，北京占据7个，上海3个，杭州、广州、南京、武汉、哈尔滨分别有1个。（表3）
（二）中国现代生物技术研究热点与前沿分析。文献关键词是作者从论文正文中提取出来，代表着作者的观点和文献的中心内容，关键词词频统计可以反映现代生物技术的研究主题，通过对关键词的统计分析可以显示现代生物技术研究领域的研究热点，高频词云统计不仅可以帮助科研人员掌握本学科领域的研究动向，还可以为科研管理决策提供有益的参考建议。本文对2011～2020年中国现代生物技术领域文献的12.9万多个关键词进行词频统计，绘制出中国现代生物技术领域高频关键词云图，如图4所示。由图4可知，出现频率较高的词汇有“nanoparticles（纳米粒子）” “drug-delivery（药物输送）” “in-vitro（体外）” “cancer（癌症）” “cells（细胞）” “gold nanoparticles（金纳米粒子）” “delivery（输送）” “in-vivo（体内）” “DNA（脱氧核糖核酸）” “growth（生长）”等。（图4）
为了更加深入地展示现代生物技术不同领域中科研人员的研究热点，进一步细分核心领域绘制高频词云图，图5～图9分别展示了2011～2020年中国现代生物技术中酶工程、发酵工程、细胞工程、基因工程、蛋白质工程领域中的高频词汇。其中，酶工程领域的研究热点包括expression（表达）、escherichia-coli（大肠杆菌）、biosynthesis（生物合成）等；发酵工程领域的研究热点包括fermentation（发酵）、metabolic-engineering（代谢工程）、biosynthesis（生物合成）等；细胞工程领域研究热点包括in-vitro（体外）、differentiation（分化）、scaffolds（支架）等；基因工程领域的研究热点包括genetic engineering（基因工程）、expression（表达）、prokaryotic expression（原核表达）等；蛋白质工程领域的研究热点包括protein engineering（蛋白质工程）、expression（表达）、differentiation（分化）等。（图5～图9）
（三）中国生物育种研究发展趋势及研究热点分析。务农重本，国之大纲。农业是国民经济中最重要的物质生产部门，由于农业的支撑与推动，中国其他国民经济部门才得以高速发展。2017年10月18日，党的十九大报告中提出“乡村振兴战略”，强调农业、农村、农民问题是关系国计民生的根本性问题，而保障国家粮食安全，是乡村振兴的首要任务。粮食安全是中国重大战略需求，是国家安全稳定的基石，种业作为农业的“芯片”，得到中国政府的高度重视。2013年12月，习近平在中央农村工作会议上指出，抓紧培育具有自主产权的优良品种，从源头上保障国家粮食安全。2018年4月，习近平在海南考察时强调良种在促进粮食增产方面的关键性作用。2020年，习近平在中央经济工作会议上提出“解决好种子和耕地问题”，强调开展“卡脖子”技术攻关。2021年5月，习近平在河南考察时指出，保证粮食安全必须把种子牢牢攥在自己手中，坚持农业科技自立自强，加强良种攻关，靠中国种子保障中国粮食安全。因此，本部分重点关注中国生物育种基础研究的发文量，探索中国生物育种领域的研究发展趋势。
图10显示出2011～2020年中国生物育种领域的发文量。整体来看，2011～2020年中国生物育种总发文量为8，933篇，2011～2019年发文量呈明显上升趋势，年平均增长率为7.01%。（图10）
经统计，2011～2020年现代生物技术领域总发文量位居前6位的分领域依次为农作物、蔬菜、水果、家禽肉类、蘑菇和海产品，发文量分别为2，826篇、1，413篇、1，308篇、1，044篇、949篇、874篇，合计占生物育种总发文量的比例约为94%，具体如图11所示。因此，这6个分领域研究的高频关键词一定程度上代表了生物育种领域的研究热点。（图11）
表4列出了中国生物育种领域六大子领域中频率排前3位的关键词汇，具体如下：农作物领域高频词汇是水稻（rice）、小麦（wheat）、玉米（maize）；蔬菜领域高频词汇是花椰菜（cauliflower）、萝卜（radish）、大白菜（Chinese cabbage）；水果领域高频词汇是葡萄（grape）、苹果（apple）、梨（pear）；畜禽领域高频词汇是猪（pig）、奶牛（cow）、肉牛（butcher bull| beef cattle）；蘑菇领域高频词汇是金针菇（needle mushroom）、双孢菇（double spore mushroom）、杏鲍菇（pleurotus mushroom）；海产品领域高频词汇是三文鱼（salmon）、金枪鱼（tuna）、南美白对虾（white shrimp）。由此可见，中国生物育种结构相对失衡，具体表现为：农作物育种相对领先，尤其是三大粮食作物的自主研发能力保持较高水平；市场上流通的蔬菜种类众多，其中花椰菜育种排在首位，可能的原因是中国是世界上花椰菜种植面积最大、产量最高的国家，且在国内蔬菜供应上的份额持续增加；水果、畜禽、蘑菇和海产品领域的育种能力相对较差，尤其是海产品领域的育种能力最弱。（表4）
四、研究结论与对策建议
（一）研究结论。本研究采用文献计量、词频统计及聚类分析等方法，首先对2011～2020年Web of Science 核心数据库273，336篇文献的发展阶段、研究领域、研究热点与前沿进行分析；其次通过对2016～2020年中国农业植物新品种权授予情况进行分析，探索中国现代生物技术重点领域发展趋势，主要得出以下三个结论：
1、现代生物技术研究整体呈现出增长态势，但年度间波动明显，其中2013年与2017年出现爆发性增长，而2015年发文量呈现低谷。现代生物技术子领域也均呈现稳步增长趋势，细胞工程、基因工程、蛋白质工程、酶工程领域大致呈现出稳步增长期与快速爆发期，而发酵工程领域发展相对缓慢且增速较缓。随着现代生物技术基础研究的推进，现代生物技术也在不同领域广泛应用，医药领域应用范围最广、推广速度最快，其次为农业、工业、环境、食品，海洋领域应用最少且推广始终呈低迷之态。
2、现代生物技术主要研究力量集中在亚洲、北美洲和欧洲。其中，中国以67，527篇位居榜首，美国紧随其后，印度、德国、英国和日本进入发文量前6位的行列，成为现代生物技术重要研究国。因“十三五”期间政府大力推进现代生物技术的重要举措，2016年后中国现代生物技术的研究与应用开始蓬勃发展，该领域受到了国内学者的广泛关注，但不同机构与地区之间存在明显差异，现代生物技术的研究力量以高校为主，且主要集聚在以北京、上海为主的一线城市，区域分布呈现出从东部向西部地区递减的特点。
3、现代生物技术中国研究热点聚焦在纳米粒子、药物输送、体外、癌症、细胞、金纳米粒子等方面，重点关注医学、农业、食品加工等领域中的实践与应用。其中，以植物新品种研发为重点的农业领域中，水稻、葡萄、猪、金针菇、三文鱼等品种成为现代生物技术的主要应用成果。
（二）对策建议。基于以上结论与分析，本报告提出以下建议，以期为改善中国现代生物技术战略科研力量布局与体系建设提供参考依据。
1、强化国家战略性需求导向科研力量。国家“十四五”规划明确“基因与生物技术”为七大科技前沿领域攻关之一，要重点突破生命科学与生物技术领域的前沿关键技术，打造中国生物技术竞争新优势，必须强调科研院校为国家服务的属性，引导其将精力更多地投入到国家急需攻坚的重大战略项目中，关注国家经济社会发展中的难点和堵点，充分利用科研院校人才力量、资源积累、研究基础等优势，把握和洞悉现代生物育种技术的动态前沿，进一步挖掘科研院所潜力，发挥公益性科研机构创新力量，努力提高中国现代生物技术的国际影响力和话语权。
2、补齐现代生物技术应用研究短板。当前，中国现代生物技术基础研究实力远强于应用研究，应高度重视创新链后端的科研力量布局，尤其是针对开展应用研究和应用基础研究相关机构的科研项目和条件平台建设加大支持，明确各级科研单位的职能分工和定位，强化应用研究创新力量，充分发挥地方科研单位积极开展实用技术集成、成果转化方面的优势，明确科研单位生物技术创新目标，在酶工程、疫苗工程、发酵工程等领域实现核心技术突破，助力中国食品加工、能源、环境、医药、农业等重点行业的转型发展。
3、东中西产业区域协调发展。大力推进北京、上海、江苏等科研基础优越省（市）的科技创新中心建设和现代生物技术创新链布局，充分发挥资源集聚效应，打通上下游产业链，将散点式、独立式分布的科研力量资源汇聚成网状式、共赢式的产业区位优势，形成国家现代生物技术大规模产业集群。并且，以东部发达地区为核心依托，逐渐向中西部形成扩散效应，在国家生物技术产业发展上形成空间梯度差异，促进全国产业布局优化，逐步实现均衡发展。
4、形成市场导向科企创新联合体。明确科研院校与企业的创新定位，充分发挥企业主体的市场化属性，支持龙头企业牵头建立商业化生物技术体系，进一步促进科企深度融合，创新科企股份合作制、科企联合体、科企共建平台等模式；探索市场技术需求反馈机制，围绕产业发展制定技术产品创新规划，不断完善以企业为主体，以核心研发机构+公共技术平台+创新服务基地为支撑，以资本、人才、项目、平台为纽带的现代生物技术创新利益共同体机制；同时，以生物技术为支撑，强化与云计算、大数据、人工智能、新材料等其他现代化技术融合，强化综合性多学科交叉研究，完善现代生物技术转移服务体系，加快生物技术新兴产业培育，形成有韧性、有张力的协同创新系统，引领中国传统行业的绿色转型升级。
（作者单位：江苏省农业科学院农业经济与发展研究所）
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