本文继 关注丨国际科学技术前沿报告（上） 之后，小编为大家选取了后五章的提要。

生物成像技术国际发展态势分析

丁陈君 吴晓燕 陈 方 郑 颖 陈云伟

（中国科学院成都文献情报中心）

摘 要 生物成像技术是生物结构和功能研究最直接、最有效的方法。得益于光学显微镜的发明和使用，人类开始认识微观世界。在飞速发展的信息技术与新材料技术的深刻影响下，生物成像技术研究也取得了革命性进展。一方面，成像数据的体量越来越大，成像系统速度加快，维数变多，数据量也呈指数增长；另一方面，成像对象越来越小，由器官到组织到细胞再到分子，灵敏度和时空分辨率都越来越高。尤其是近年来发展的超分辨率光学成像技术打破了光学成像的衍射极限限制，实现了单分子水平的高精度成像。这些进步使生物成像技术大大突破了传统成像的局限，不仅在生命科学研究领域，也在生物医学领域，如对重大疾病诊断、个性化治疗、药物开发和疾病致病机理的理解发挥着举足轻重的作用。各国都十分重视生物成像领域的布局与规划，如美国国立卫生研究院专门成立国家生物医学成像及生物工程研究所，推动生命科学基础研究和国家医疗事业的进步；美国国家科学技术委员会发布《医学成像研发路线图》；欧盟在欧洲研究设施路线图中也明确提出了建设欧洲生物医学影像基础设施；澳大利亚在《国家研究基础设施路线图》中也对生物成像设施做出了相应布局。我国也正在大力推动生物成像技术研究和相关科研设施的建设。

通过文献和专利计量分析，对生物成像技术的研发态势进行了研究。在文献计量部分，对冷冻电镜技术和核磁共振成像技术开展了计量分析，结果显示，20 世纪80 年代初冷冻电镜技术研究开始起步，经过10 年的探索至90 年代开始进入快速发展期，2015～2017 年，发文量呈现急剧增长趋势。从国家（地区）分布来看，美国遥遥领先，发表论文4601 篇，其发文量是排名第2 位的德国的近4 倍；2015～2017 年中国在这一领域的发文量快速增长，且中国的高被引论文占比最高，达到6.98%，从论文整体的篇均被引次数来看，中国与其他发达国家相比，还存在很大差距。发文量排名前10 位的研究机构主要集中在美国，且综合性国立科研机构显现出较强的集成优势和引领作用。在核磁共振成像技术领域，2000～2017 年，除2017 年发文量略有下降，其他各年度总体呈稳态增长趋势。美国在核磁共振成像技术领域发文量优势较为明显，发表高被引论文数量也最多。荷兰发表高被引论文占该国论文总数的比例最高。中国的发文量增长趋势明显，2015～2017 年已经赶超德国、英国和日本，但在发表高被引论文方面略显不足。发文量排名前10 位的研究机构主要集中在美国，其中，美国国立卫生研究院篇均被引次数最高，达到54.62 次，麻省总医院发表高被引论文占该机构发表论文总数的比例最高，达到2.71%。专利计量分析结果显示，生物成像领域专利申请从1967 年开始，1984～2013 年增长趋势迅猛，至2013 年达到申请的高峰；美国、日本和中国是生物成像领域专利申请人最重视的领域保护市场地，其次是欧洲、韩国和德国等；所有专利中用于医学诊断目的的测量设备与领域分类最多，利用电磁感应、核磁共振、超声波和X 射线等原理的测量仪器和设备也有较多涉及；大型跨国公司是全球最主要的专利申请主体，申请量排名前两位的是日本东芝机械株式会社和日本日立有限公司，其次是荷兰皇家飞利浦电子公司、美国通用电气公司和德国西门子股份公司，再次是韩国三星集团、日本佳能株式会社、日本岛津公司、美国皮克国际公司和瑞士奈科明有限公司。

当前，生物成像技术发展日新月异，性能不断提升；成像技术向多模态、多功能的方向发展；新材料、新技术的广泛应用，在生命科学研究领域发挥了更关键的作用。同时，对国内外生物成像设施建设的主要机构进行了调研和分析，发现与国外生物成像设施建设起步较早、多为系统布局或有所侧重不同，国内生物成像设施较为零散，多为仪器设备拼凑，对生物成像技术本身的研究较少，多以科研平台的形式，支撑生命科学和生物医学研究。基于上述分析，本文最后分别从发展思路、发展策略和发展途径三个角度给出了建议。

人类微生物组国际发展态势分析

施慧琳 王 玥 李祯祺 苏 燕 许 丽 徐 萍 于建荣

（中国科学院上海生命科学信息中心）

摘 要 人类微生物组指生活在人体上的营互生、共生和致病的所有微生物集合及其遗传物质的总和。宏基因组技术的广泛应用，使对微生物的认识突破了“纯培养”的限制，相关研究成果产出呈现井喷式增长。可以说，人类微生物组研究全面系统地解析了微生物组的结构和功能及生理调控机制，为解决健康问题提供了新思路，而相关微生物技术的创新和融合则进一步加速了从基础研究到临床转化整个链条的发展。

本报告从全球布局趋势和重点方向、人类微生物组研究及人类微生物组产业3 方面分析人类微生物组的发展态势。主要结论如下：

1）全球布局趋势和重点方向。从全球政策规划布局来看，人类微生物组研究已经成为全球争先布局的科技战略高地。美国、欧盟、日本、加拿大、爱尔兰、法国、澳大利亚、韩国已经启动人类微生物组计划，布局重点由微生物资源普查转向微生物组与健康，应用导向更加明确。相关计划关注技术发展和学科交叉会聚；加速以宏基因组学技术为代表的微生物组研究关键平台技术和工具开发；推进多组学分析、成像技术、生物信息学分析和健康大数据的融合，并期望有效解决数据收集、存储、整合、分析标准化问题，推动微生物组的全面性、系统性研究和数据共享。中国也积极布局人类微生物组研究，已经将突破微生物组关键技术、开展人类微生物组与人群健康的关系研究和建立中华民族典型人群微生物组数据库等纳入“十三五”规划中重点发展领域。2017 年10 月，由世界微生物数据中心和中国科学院微生物研究所牵头，联合全球12 个国家的微生物资源保藏中心共同发起的“全球微生物模式菌株基因组和微生物组测序合作计划”正式启动；同月，中国微生物组创新创业者协会倡议发起中国肠道宏基因组计划，推动我国微生物组学的发展。2017 年12 月，中国科学院重点部署项目“人体与环境健康的微生物组共性技术研究”暨“中国科学院微生物组计划”启动，旨在推动我国在全球微生物组研究和应用的竞争中实现从“跟跑到并跑，乃至领跑”。

2）人类微生物组研究。统计论文发表情况，2007～2016 年，全球共发表人类微生物组相关论文26850 篇，论文年均增长率为22.47%。发文量国家排名方面，美国发文量最多，位居全球第1 位，中国共发表人类微生物组相关论文2586 篇，位居全球第2 位，论文年均增长率达到35.51%。在研究机构排名方面，美国哈佛大学发文量位居全球第1 位，中国研究机构中，仅中国科学院进入全球前10 位行列。基于对该领域ESI 高水平论文题目和摘要进行文本聚类分析，发表的论文主要聚焦基因组测序与微生物组多样性、不同年龄人群队列研究、人类微生物组与健康三大主题。

统计专利申请情况，2007～2016 年，全球人类微生物组相关专利申请数量为3453 件，年均增长率为19.45%。中国该领域专利申请数量为1051 件，位居全球第2 位。专利申请内容聚焦微生物组鉴定和分析、未培养微生物分离培养技术、微生物组与疾病关联及诊断标志物、人体微生态调控手段四大技术主题。

从技术发展来看，人类微生物组相关技术发展重点由传统微生物学技术向以宏组学技术、多模态成像技术、生物信息学技术、大数据技术和高通量分离培养技术等为代表的新一代微生物学技术转变。其中，由美国威斯康星大学的Handelsman 等于1998 年提出的以环境样品中微生物群体基因组为研究对象的宏基因组学技术是人类微生物组研究的关键性技术，由于整个研究流程不依赖于微生物的分离与培养，能最大限度地覆盖全体微生物。而宏基因组学技术的发展得益于基因测序技术的测序速度和通量增长及宏基因组测序片段组装与功能分析工具的进步。

从应用研究发展来看，人类微生物组研究旨在通过探索不同个体、生命不同阶段、不同生境的微生态动态发育过程，寻找与疾病发生、发展直接相关的微生物及其作用机制，助力于婴幼儿免疫系统发育的调控；解决老龄化带来的老年健康问题；应对全球慢性疾病、神经系统疾病、免疫系统疾病和癌症等挑战。

3）人类微生物组产业。基于人类微生物组蕴含的丰富数据信息，可进行疾病的预警预测、特定病原体定点筛查和靶向药物的精确研发等，人类微生物组研究将逐步从实验室走向市场，催生该领域新产业的兴起，同时也带动包含益生菌、益生元的保健食品等传统产业的发展。人类微生物组相关产业主要包括三大细分领域，即微生物组检测、微生物组疗法及保健食品。伴随人类微生物组与疾病的因果机制的揭示，开发并运用前沿检测技术，明确疾病诊断和预警标志物，受到全球各企业的关注，以美国uBiome 公司、Arivale 公司和美国微生物组研究教育机构为代表的人类微生物组检测机构，提供人类微生物组测序服务，分析口腔、肠道和皮肤等部位的微生物组，进而给予相关的健康指导。中国在人类微生物组检测领域发展较快，华大基因是中国人类微生物组检测研究的先行者，2008 年，作为唯一一个非欧盟国家的科研单位参与欧盟人类肠道宏基因组（MetaHIT）计划中，致力于人类微生物组测序及后续生物信息分析工作。2014 年以后，出现了一批专注于人类微生物组检测的公司，包括上海锐翌生物科技有限公司、深圳谱元科技有限公司、量化健康、hcode 和深圳微健康基因科技有限公司等，公司业务主要是通过16S rRNA 测序或鸟枪法宏基因组测序，预测相关疾病的发病风险，并给出营养指导意见或者进一步就医建议。发展微生物组疗法重建菌群平衡，达到疾病治疗的效果是人类微生物组研究的终极目标之一。美国知名市场调研和咨询公司Grand View Research 发布的微生物组疗法（包括粪菌移植和药物）市场报告中指出，全球微生物组疗法市场规模在2015 年达到1130 万美元，预计到2025 年，将增至4.335 亿美元，就疗法类型来看，粪菌移植疗法占据主导地位，就疾病类型来看，难辨梭状芽孢杆菌感染是微生物组疗法重点攻克疾病。目前，以美国SeresTherapeutics 公司为代表的多家企业聚焦靶向肠道微生物组的药物的开发，通过微生物组合制剂、小分子调节剂起到调节人体微生态的作用，以治疗感染性疾病、代谢性疾病和免疫性疾病等，相关药物研发正处于发现或临床试验阶段，发展较快的包括SER-109（难辨梭状芽孢杆菌感染）、RP-G28（乳糖不耐受）、NM504（2 型糖尿病）、EB8018（克罗恩病）、SGM-1019（炎症性肠病）和RBX-2660（难辨梭状芽孢杆菌感染）等。调节肠道功能的包含益生菌和益生元的保健食品已经形成较成熟的市场。基于人类微生物组研究的不断推进，人体内微生物组与健康和疾病的关系得到进一步揭示，使包含益生菌和益生元的保健食品产业获得更多人的关注和认可，为挖掘新的益生菌、益生元，开发新的保健食品奠定基础。

通过对人类微生物组领域相关政策规划的解读，结合对论文、专利的统计分析，以及产业分析，建议加强学科交叉研究；推进人类微生物组研究的标准化和数据共享；优化配套大型综合性基础设施平台；加速基础研究向临床应用转化；加强人类微生物组研究的监管；推动人类微生物组研究的科学普及。

关键词 人类微生物组 政策 研发态势

作物病虫害导向性防控国际发展态势分析

王保成1，2 李东巧1 谢华玲1 杨艳萍1

（1 中国科学院文献情报中心；2 中国科学院大学）

摘 要 作物病虫害对世界农业发展造成的影响包括产量下降、食物供给缺乏，使用农药引起的环境和健康问题，对经济安全和社会稳定造成重大影响。过去对病虫害的防控思想主要是简单杀灭，但是，化学农药的滥用也造成环境污染及病原微生物和害虫的抗药性增加等问题。作物病虫害导向性防控摒弃过去单纯以病虫害基础代谢过程和神经相关受体为靶标的化学农药防治方法，以作物-媒介昆虫-病原微生物之间存在的相互关系和信息传递为防治的突破口，增加作物病虫害防控的特异性及防控效果的长期性，减少由化学农药的频繁使用造成的害虫和病菌的耐药性，在保障粮食作物生产安全的前提下减少由化学农药的长期使用造成的环境污染等问题。近年来，相关的研究和技术研发呈现出持续增加的趋势。

世界各国对作物病虫害的防控都给予了高度关注，纷纷从国家层面给予政策和资金的支持。例如，美国的植物-生物互作研究项目和国家计划303-植物病害行动计划、欧盟应对新出现的植物害虫与病害的优先行动及英国、澳大利亚和印度等国家针对作物病虫害的管理与防控等领域的关键性问题的咨询报告，把生物安全和植物健康等问题上升到国家的战略层面。我国通过973 计划、转基因重大专项、国家重点研发计划及中国科学院战略性先导科技专项等资助了多个相关研究项目，取得了一批重要成果。

从基础研究的研究论文分析来看，相关的研究从20 世纪90 年代开始进入集中爆发期，发文量快速增加。从国家层面来看，美国不仅发文数量多，而且论文质量也比较高，处于领先地位。中国的发文数量仅次于美国，但是，在论文质量上仍有较大的提升空间。2013～2017 年，主要国家尤其是印度和中国在相关领域的研究都比较活跃。从研究机构层面来看，美国农业部在研究机构中处于领头羊位置。从期刊类型来看，植物病理学和植物-微生物相互作用方面的研究受到的关注最多。从高频关键词来看，病害抗性、基因操作和防御反应等是作物病虫害导向性防控领域的热点。

从技术研发来看，美国在该领域的研发实力较强，代表性企业包括孟山都公司和杜邦先锋公司。我国的高校和科研机构为研发主体。植物的抗虫性和转基因植物是全球作物病虫害导向性防控领域关注的技术热点，其所采用的技术手段包括转基因技术和组织培养技术等；核心专利涉及RNA 干扰（RNAi）、转基因技术和重组DNA 等研究。从研发布局来看，美国在各个主题领域的分布比较均匀，中国则主要集中在载体和抑制转录等方面。跨国农业企业非常关注作物病虫害防治研究及相关产品的研发。杜邦先锋公司、先正达公司和孟山都公司等企业注重多重作用机制的新型抗虫品种培育。近年来，国外大型农业生物公司倾向于利用RNAi 技术防治病虫害。同时也非常关注基因编辑技术在抗虫和抗病等作物品种培育中的应用。

总体而言，我国在作物病虫害导向性防控领域的研究发展较快，但是，基础研究的质量有待进一步提高。建议加强与国外同行的交流和合作，提高科研成果的显示度和影响力。

同时，我国应加强在抗性育种技术方面的规划，加强对企业的引导和支持，提高我国农业相关企业在国际上的影响力。

关键词 作物 病虫害 导向性防控 植物保护

地球深部金属矿资源探测国际发展态势分析

刘 学 赵纪东 王立伟 刘文浩 吴秀平

（中国科学院兰州文献情报中心）

摘 要 目前全球开采的金属矿主要来自地壳浅层（深度500m 以内）。研究表明，地球第二深度空间（500～2000m）及以下区域是金属矿的富集区，将成为未来金属矿开发的接替区。自20 世纪60 年代以来，国际深部探测研究持续展开，如加拿大岩石圈探测计划（1984 年）、澳大利亚玻璃地球计划（2001 年）和美国地球透镜计划（2003年）等，在这些研究计划的推动下，开辟了成矿学研究和深部找矿的新思路，并取得了重大进展。

近年来，国际上越来越关注已知矿区的深部找矿工作和未知矿区的隐伏矿寻找。当前，南非、加拿大、美国、澳大利亚等矿业强国已有很多深部金属矿勘探开采的成功案列，包括兰德金矿，萨德伯里（Sudbury）铜、镍矿，奥林匹克坝（Olympic dam）铜、铀和金矿等。长期以来，上述各国启动了相应的战略规划与项目，以持续推进深部开采基础性问题和相关技术的深入研究，包括较早的加拿大岩石圈探测计划、澳大利亚四维地球动力学计划以及最新的澳大利亚“为未来勘探”计划等。

从深部金属矿探测的科学引文索引（science citation index，SCI）论文发表来看，加拿大、南非、美国等矿业强国在该领域的研究起步较早，中国从2012 年起成为该领域年发文量最多的国家。该领域的研究表明深部金属矿勘探中常应用的勘探技术是数值模拟、地球化学、地球物理等，同时注重勘探开采活动对土壤和地下水的污染等。

专利分析结果与论文分析结果几乎一致，虽然日本、俄罗斯和美国一直有专利授权，但自21 世纪以后，中国在该领域的专利授权开始大量出现并呈现急剧上升的趋势，明显高于其他国家。

目前，我国金属矿探采深度大多数仅为300～500m，而国外普遍超过1000m。因此，加大对地球深部金属矿探测技术研发力度，是降低我国未来金属矿产资源供给风险、应对战略性资源国际竞争、保障经济发展需求和国家安全的必由之路。近年来，我国相继启动了多个地球深部资源探测重大项目，如2009 年国土资源部的深部探测技术与实验研究专项（SinoProbe），2012 年中国科学院的战略性先导专项“深部资源探测核心技术研发与应用示范”和2014 年科学技术部的863 项目“深部矿产资源勘探技术”等。由科学技术部联合教育部、中国科学院、国家自然科学基金委员会共同制定的《“十三五”国家基础研究专项规划》中，将深地资源探测列为加强目标导向的基础研究和变革性技术科学研究的方向之一。同时，深部资源探测亦是中国科学院“十三五”规划提出的60 个有望实现创新跨越的重大突破之一。依托上述研究任务，我国正在建立适应全国地质特征的深部精细结构探测技术体系，并按照国际标准建立一个覆盖全国的地球化学基准网。另外，在地球物理探测数据的处理与分析和地应力测量技术等方面也取得了重要进展。

通过对当前国际上深部金属矿勘探开采的成功案例的梳理和相关战略规划以及相关领域的SCI 发文和专利比较分析，得出以下几点建议：首先，加强成矿理论的基础研究，提升影响力；其次，发布旨在深部勘探的刺激计划，提升相关研究机构与相关企业的积极性；最后，需发展大探测深度精细地球物理、深部找矿地球化学、三维地质建模、三维立体填图和深部成矿预测等关键技术方法。

关键词 深部 探测 矿产资源 态势分析 文献计量

第三极环境研究国际发展态势分析

刘燕飞 曲建升 曾静静 裴惠娟

（中国科学院兰州文献情报中心）

摘 要 世界第三极地区是全球最独特和最重要的地质-地理-资源-生态耦合系统之一，对中国、北半球乃至全球环境变化具有重要的影响。鉴于第三极地区在全球生态环境研究中的重要地位，及其对经济社会发展和国家安全的重大意义，第三极环境研究日益成为国际资源、生态环境领域的科技前沿问题和重点关注方向。本报告通过第三极环境研究国际发展态势分析，全方位探求该领域的现状和研究态势，为我国第三极环境研究未来的发展提供有益的参考。

近年来，国内外开展了青藏高原气候系统变化及其对东亚区域的影响与机制、青藏高原多圈层相互作用及其资源环境效应、青藏高原环境变化对全球变化的响应及其适应对策等关键问题的研究，并实施了以双边或多边合作为主的青藏高原隆升与环境及生态系统（Tibetan Plateau-Uplifting，Environmental Changes and Ecosystem，TiP）研究计划、冰冻圈计划、喜马拉雅地区监测和评估项目（Hindu Kush Himalayan Monitoring and Assessment Programme，HIMAP）。2009 年，中国、美国和德国科学家联合发起由30 多个国家科学家参与的第三极环境（third poleenvironment，TPE）国际计划。2016年，TPE 深化为泛第三极环境（Pan-TPE）国际计划并得到大型研究计划支持，推动了第三极气候演变、全球变暖与冰冻圈、冰雪-水-大气相互作用、生态系统变化及反馈、人为因素影响与结果方面的前沿研究，并取得卓越成就。

本报告首先梳理了第三极环境研究重要的国际战略与计划，介绍了相关战略与计划的科学目标、关注的科学问题与研究内容；其次，利用文献计量分析方法，对科学引文数据库（SCIE）中第三极环境研究领域的文献进行了定量分析，系统梳理了该研究领域的整体发展情况、领先国家和研究机构及研究热点等；最后，提出了我国第三极环境研究发展的建议思考。

分析表明，目前国际第三极环境研究整体呈稳定发展态势，其中，1991～2006 年和2007～2016 年分别经历了稳定发展和快速增长的时期。从国家角度看，中国、印度和美国是近10 年第三极环境研究最主要的论文产出国家，其中，中国和美国也是高被引论文数量最多的国家。从研究机构角度来看，中国科学院在论文数量与学术影响力方面表现突出，是第三极环境研究领域发文量、总被引次数和高被引论文数量都最高的机构。从合作角度看，中国处于近10 年第三极环境研究国际合作网络的核心，与中国合作关系最密切的国家包括美国、英国、德国和法国等；机构合作网络呈现出以中国科学院为核心，兰州大学、中国地质大学（北京）、中国地质科学院和北京大学等机构为二级中心的合作局面。

近10 年，第三极环境研究的热点包括青藏高原地质构造、青藏高原气候系统变化与影响、冰冻圈变化、古气候学与古生态学、第三极环境灾害与适应、生态环境变化与生物资源；重点研究手段包括数值模拟和遥感应用与GIS 等；热门研究学科包括生物分类学、地球化学、谱系地理学、构造学、生物地理学和地球年代学等；热门研究对象国家包括中国、印度、尼泊尔和巴基斯坦。第三极环境研究领域的关键研究方向包括：①青藏高原隆升机制及其地球化学过程。②青藏高原自然资源和生态系统。③冰冻圈变化及其水文和气候影响。④青藏高原水文和气象学。⑤青藏高原隆升的气候与环境效应。⑥第三极地区地震灾害研究与监测。

我国对第三极环境研究领域的重视程度很高，论文数量及整体学术影响力已达到较大的规模，篇均影响力尚有提升空间，在合作网络中处于核心地位。针对我国第三极环境研究发展现状，未来我国第三极环境研究发展需要：①从国家层面加大政策支持力度，制定第三极环境研究的长期规划。②加强第三极地区环境变化及其与全球气候变化的相互作用研究。③加快第三极地区生态系统变化趋势及未来影响的研究。④持续加强国际交流与技术合作。

关键词 第三极环境 青藏高原 发展态势 战略计划 文献计量