應用文獻計量學對植物根圍AM真菌研究狀況分析1)

劉雅潔 楊春雪

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

叢枝菌根(AM)真菌屬專性活體營養(yǎng)的植物共生真菌，目前有1綱4目11科27屬，約300種[1]，可與多數(shù)植物形成共生結(jié)構(gòu)。其具有調(diào)節(jié)植物水分及養(yǎng)分的吸收利用、協(xié)助植物抵抗不良環(huán)境的能力。叢枝菌根真菌作為土壤中活躍的微生物部分，廣泛參與土壤質(zhì)地改良和生態(tài)修復。在當前的研究中，各地土壤均分離出了AM真菌種。從江西省5種油茶根際分離得到10科12屬AM真菌類群[2]；黑龍江省松嫩鹽堿草地生長的多種植物根系均受到了AM真菌的侵染[3]；此外，內(nèi)蒙古沙漠地區(qū)[4]、受重金屬污染嚴重的礦區(qū)[5]、高山地帶[6-8]、沿海區(qū)域[9]、典型的卡斯特地段[10-11]等均報告了AM真菌種的發(fā)現(xiàn)。AM真菌的開發(fā)、應用具有廣闊前景，分析當前的研究熱點及前沿問題，對全面了解AM真菌的研究內(nèi)容具有重要意義。

CiteSpace是1個用于分析文獻中蘊含的各項內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建知識圖譜的軟件。通過對大量文獻的作者、機構(gòu)、主題詞、關(guān)鍵詞、被引文獻等進行聚類分析、共現(xiàn)分析及突現(xiàn)分析，展示相關(guān)領(lǐng)域的研究趨勢及當前的研究熱點[12]，方便對研究領(lǐng)域中重要基礎(chǔ)知識和研究動態(tài)的挖掘[13]。VOSviewer對于所分析節(jié)點的中心程度和不同節(jié)點間緊密程度的表示相較CiteSpace有一定區(qū)別。這2個軟件協(xié)同使用可以極大地減少數(shù)據(jù)分析的工作量。

可視化分析軟件在AM真菌研究領(lǐng)域的應用較少，且目前關(guān)于AM真菌的概述多針對單一方面，而很少對這一領(lǐng)域的研究熱點進行整體挖掘，因此，對近20 a國內(nèi)外的相關(guān)文獻進行分析，可以更直觀的顯示領(lǐng)域內(nèi)的前沿內(nèi)容，為研究者把握當前熱點、實現(xiàn)創(chuàng)新提供借鑒。

1 試驗與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文獻檢索日期為2020年10月19日，以“叢枝菌根”為主題詞從CNKI數(shù)據(jù)庫導出北大核心期刊2000—2020年的文獻，共計1 415篇，篩選后保留1 341篇，導出格式為Refworks；以“AM fungi”為主題詞從科學網(wǎng)(Web of Science,WOS)核心合集導出2003—2020年的文獻，共計4 210篇，導出格式為純文本。保存全記錄與引用的參考文獻信息，去重并去除年份缺失的文獻后，保留4 174篇。中英文文獻共計5 515篇。

1.2 數(shù)據(jù)處理

中文文獻使用data數(shù)據(jù)園10.0進行數(shù)據(jù)提取、逐年統(tǒng)計分析、合作率及合作度計算，并以提取的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)使用SigmaPlot12.5繪制圖表，使用CiteSpace5.7.R2以關(guān)鍵詞、主題、作者、機構(gòu)為節(jié)點類型進行圖譜分析。外文文獻使用WOS文獻計量趨勢變化挖掘2.0進行數(shù)據(jù)提取和逐年統(tǒng)計分析(data數(shù)據(jù)園10.0、WOS文獻計量趨勢變化挖掘2.0軟件由微信公眾平臺“學術(shù)點滴”和“文獻計量”團隊聯(lián)合開發(fā)，用于多種類型矩陣和網(wǎng)絡圖譜快速制作)，利用VOSviewer對主題詞和關(guān)鍵詞進行聚類、共現(xiàn)分析，并以被引文獻為節(jié)點類型，分析領(lǐng)域內(nèi)重要的基礎(chǔ)知識和經(jīng)典文獻。

2 結(jié)果與分析

2.1 國內(nèi)外發(fā)文分析

對5 515篇文獻進行年發(fā)文量分析，科學網(wǎng)記錄了2003—2020年文獻的收錄情況，因此外文文獻分析的起始年份為2003年。如圖1所示，中文文獻、外文文獻的數(shù)量、文獻發(fā)表總數(shù)量整體呈逐年增長的趨勢，2009—2019年總發(fā)文量增長了33.99%，2003—2019年增長了149%。根據(jù)檢索到的10月20日前發(fā)表的文獻數(shù)量，預計2020年為正增長，充分說明AM真菌的研究熱度不斷上升，在未來有更廣泛的研究前景。隨著研究的深入，研究機構(gòu)和作者的數(shù)量逐年增加(表1)，除此之外，還表現(xiàn)出了合作化的趨勢。一般來說，一篇文獻中出現(xiàn)不同的研究機構(gòu)和作者，可認定為他們之間存在合作關(guān)系[14]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，機構(gòu)間的合作率為0.494，合作度為0.942；作者的合作率為0.865，合作度為2.224。

表1 發(fā)文作者及發(fā)文機構(gòu)年數(shù)量變化狀況

圖1 年發(fā)文量趨勢圖

使用CiteSpace，設(shè)定時間切片為1、節(jié)點為作者、排行榜，取值為50，生成中文作者共現(xiàn)圖譜(圖2)，并以同樣的方式對外文文獻作者進行分析。一般而言,構(gòu)建的圖譜Q值，0≤Q<1，Q>0.3意味著劃分出來的社團結(jié)構(gòu)是顯著的。構(gòu)建的圖譜S值在0.5以上時,一般認為聚類是合理的；S值大于0.7時,聚類是高效率令人信服的[15]。構(gòu)建的圖譜Q值為0.946 7，S值為0.976 3，所以聚類合理。節(jié)點大小代表了發(fā)文量的多少，連線越粗表示2個作者合作次數(shù)越多，某一作者連線越多表示其合作的作者數(shù)量越多。其中，中介性較強的有李曉林、劉潤進、王幼珊、Matthias C Rillig、Paola Bonfante等，并形成以其為核心的學術(shù)聚類體。發(fā)文量、中介值前3位的作者如表2所示。國內(nèi)外研究機構(gòu)主要以中國科學院大學(81篇，中心值0.09)、CSIC(227篇，中心值0.17)為核心形成了合作網(wǎng)絡。2020年截至檢索時，較2019年外文文獻中新增727個作者開展對AM真菌的研究，2019年新增1 002個，2018年新增797個，2017年新增665個。數(shù)據(jù)提取分析表明，新增研究作者的數(shù)量也呈逐年上升的趨勢。

圖2 中文作者共現(xiàn)關(guān)系圖譜

2.2 AM真菌研究熱點分析

在可視化分析中，一般認為反復出現(xiàn)多次的關(guān)鍵詞、主題詞為研究熱點。通過CiteSpace和VOSviewer分別對中外文文獻進行主題詞、關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，并通過近幾年研究內(nèi)容的共現(xiàn)狀況及突現(xiàn)狀況分析AM真菌的研究熱點及趨勢。

使用CiteSpace，節(jié)點類型選擇Term，生成中文文獻主題詞Timeline圖譜(圖3)。其展示了前5位的主題詞聚類及與其同步出現(xiàn)的專業(yè)詞匯，同一橫線上關(guān)鍵詞處于的位置表示其出現(xiàn)年份。前人從2003年起對AM真菌提高荊條[16]、香青蘭[17]、柚木[18]等的抗旱性進行了充分研究，并從基因?qū)用娼沂玖诉@一作用原理，即AM真菌的侵染上調(diào)了14-3-3蛋白基因的表達[19]，此外，以往的研究還從抗旱性時間軸上顯示的其他關(guān)鍵詞入手進行了探索。對于AM真菌-植物互作的研究，除抗旱性外，圖中顯示抗寒、耐鹽堿、耐貧瘠、耐重金屬、耐不同脅迫條件共同作用也是當前研究較多的方面。叢枝菌根和叢枝菌根真菌有一定重合性，但聚類結(jié)果顯示，前者更傾向其對植物群落或生態(tài)環(huán)境的影響，而后者強調(diào)單種AM真菌的接種效應或種間關(guān)系。分析表明，AM真菌參與礦區(qū)修復[20]、促進植物磷(P)吸收[21]、AM真菌分類鑒定[22]及新種記錄等研究方向在往年的探究中得到了極大的發(fā)展。多樣性時間軸顯示，AM真菌多樣性的鑒定方式也呈現(xiàn)出多樣化趨勢，除傳統(tǒng)的形態(tài)學鑒定，近年來還應用了現(xiàn)代分子生物學技術(shù)，如使用DNA標記技術(shù)、18SrDNA、25SrDNA進行鑒定，并在此基礎(chǔ)上通過RDA分析、GC-MS分析等確定與AM真菌相關(guān)的因子。分析還表明，AM真菌改善土壤酶活性、基質(zhì)理化性質(zhì)，與寄主植物(如白三葉、羊草)相互作用等方面也得到了較多的關(guān)注。圖3形成的聚類結(jié)果，可認為是近20 a的研究熱點。

圖3 中文文獻主題詞共現(xiàn)時間關(guān)系圖譜

使用VOSviewer構(gòu)建外文文獻主題詞、關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜及發(fā)文類別圖譜(圖4)。圖4a表示主題詞聚類，不同顏色區(qū)分主題詞的所屬研究方向。1 469個主題總計形成3個聚類，即主要形成了3個研究領(lǐng)域，分別為AM真菌對植物生命活動、植物干旱脅迫適應性、作物產(chǎn)量等影響的探究。圖4b為關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜，本質(zhì)是對圖4a的細分，不同色彩表示不同的聚類，1 000個關(guān)鍵詞共形成6個聚類，展示了3個研究領(lǐng)域中當前熱點的研究方向，分別為AM真菌群落多樣性、環(huán)境變化對AM真菌的影響、AM真菌改良土壤理化性質(zhì)、AM真菌影響植物耐脅迫能力、AM真菌促進根系吸收及養(yǎng)分利用、AM-植物生物協(xié)同作用及其互作機理等的研究。以AM真菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性、AM真菌調(diào)控基因表達及生物合成、AM真菌改善生態(tài)環(huán)境為主要方向的研究與發(fā)文類別及中文文獻所表現(xiàn)出的研究熱點具有一致性(圖4c)。

圖4 外文文獻主題詞、關(guān)鍵詞共現(xiàn)及發(fā)文類別知識圖譜

突現(xiàn)主題詞指某段時間內(nèi)出現(xiàn)頻次驟增的專業(yè)術(shù)語，能夠反映該領(lǐng)域的研究前沿和發(fā)展趨勢[23]。對中英文文獻中的主題詞突現(xiàn)狀況進行分析，中文文獻共計出現(xiàn)17個突現(xiàn)主題詞(圖5a)，具有突現(xiàn)性的節(jié)點為黑色[24]，而外文文獻共計出現(xiàn)193個突現(xiàn)主題詞。為了便于統(tǒng)計，以圖5b的形式呈現(xiàn)外文文獻2013年以來的突現(xiàn)詞語。中英文文獻的突現(xiàn)詞語從突現(xiàn)起始年份開始研究熱度一直持續(xù)至今。圖5可知，AM真菌近年來研究熱點主要圍繞AM-植物互作、AM生態(tài)修復、新物種記錄、群落結(jié)構(gòu)及多樣性、菌絲際環(huán)境、相關(guān)機制研究等方面，與共現(xiàn)分析結(jié)果相似。

圖5 中外文文獻主題詞突現(xiàn)分析

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，對AM真菌研究的方面越來越廣泛，關(guān)鍵詞呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢，對相關(guān)領(lǐng)域的研究也向著縱深挖掘的方向發(fā)展。2016年來的關(guān)鍵詞新增狀況見表3。新的概念、詞匯不斷被引入，在原有的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了研究內(nèi)容或技術(shù)的創(chuàng)新，這同時表明在現(xiàn)有進步的基礎(chǔ)上AM真菌領(lǐng)域還存在巨大的研究潛力。

表3 關(guān)鍵詞新增狀況

2.3 AM真菌前沿及基礎(chǔ)知識分析

多次被引用的文獻可視為AM真菌研究的基礎(chǔ)知識且可以通過被引用的次數(shù)確定所研究的內(nèi)容是否為當前熱點。由于中英文文獻的引用存在差異，使用VOSviewer構(gòu)建外文文獻引用關(guān)系圖譜(圖6)，連線的粗線表示共引頻次，圓圈大小表示某一文獻被引次數(shù)，不同色彩用以區(qū)分年份。

根據(jù)圖6所展現(xiàn)的信息繪制表4(前10位被引文獻及其Doi號、引用頻次)，關(guān)于植物誘導菌絲生長、不同環(huán)境中AM真菌群落動態(tài)變化、AM真菌參與生態(tài)修復、AM真菌促進植物養(yǎng)分吸收利用、AM-植物共生過程中基因調(diào)控、AM真菌提高植物耐脅迫能力研究的文獻被引用次數(shù)最多。菌絲不同于孢子，其在沒有寄主植物時生長非常有限，生命周期不能完成。Akiyama et al.[25]、Besserer et al.[26]研究的AM真菌分枝因子豐富了領(lǐng)域內(nèi)的基礎(chǔ)知識及研究者的認知，這也是被引用次數(shù)最多的研究文章。AM真菌提高土壤碳周轉(zhuǎn)率[27]，調(diào)節(jié)水分脅迫[28]和鹽脅迫[29]下的植物生長量、滲透作用、水分狀況、氣體交換、光合作用速率等的研究為AM真菌-植物互作的研究提供了方法論并建立了該研究方向的基礎(chǔ)，成為引用次數(shù)前10位中的3篇文獻。利用rDNA區(qū)域序列鑒定AM真菌種可以在一定程度上消除形態(tài)學鑒定的誤差，對于新種的記錄和進化關(guān)系構(gòu)建都至關(guān)重要[30]，因此早期使用該方法的這篇文獻具有較高的引用頻次。不同生態(tài)位AM真菌群落結(jié)構(gòu)差異的研究[31]是AM真菌資源應用于生態(tài)修復[32]的前提，Liu et al.[33]、Kistner et al.[34]通過cDNA片段遺傳分析結(jié)合轉(zhuǎn)錄組，分析研究了叢枝菌根共生的分子基礎(chǔ)，這些研究為AM-植物共生的機制解析提供了技術(shù)參考。以上研究共同構(gòu)成了AM真菌領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識網(wǎng)絡并處于當前的研究前沿。

圖6 外文文獻被引關(guān)系圖譜

表4 文獻被引狀況

3 結(jié)論

AM真菌分布廣泛，在各種理化性質(zhì)的土壤中均有分離鑒定，相應的該領(lǐng)域研究未形成地域集中性，但由于其具有生態(tài)修復的功能，研究所針對的樣地往往聚焦于鹽堿地、沙漠化地區(qū)、礦區(qū)、重金屬污染地帶等，這與發(fā)文量前幾位作者的研究方向一致。隨著研究深入及合作程度的提高，關(guān)于AM真菌的研究將實現(xiàn)從理論探索向?qū)嵺`應用的進步。AM真菌領(lǐng)域開展研究以來，形成了多個熱點關(guān)鍵詞及主題詞，突現(xiàn)主題詞自出現(xiàn)開始至今依然是研究的重點，而且隨著研究技術(shù)的多樣化不斷出現(xiàn)了新的熱點詞匯。關(guān)于AM真菌提高植物耐逆境脅迫能力方面的研究在關(guān)鍵詞、主題詞、被引文獻分析中均排在重要位置。AM真菌在提高植物抗旱、耐澇、抗熱、耐寒、抗鹽、抗重金屬、抗病、耐蟲，耐雜草、耐酸、耐有毒有機物等方面的作用已經(jīng)被證實[35]，且其在調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)、土壤生物活性、土壤養(yǎng)分分配，參與礦區(qū)恢復及寒區(qū)、鹽堿地修復等功能被廣泛驗證[36]，這為AM真菌的應用提供了參考。

然而，AM真菌在自然界中多以群落的形式存在并發(fā)揮作用，而現(xiàn)有的研究中多采用單菌種回接的方法驗證其功能特性，這對于解析AM真菌參與生態(tài)修復和提高特殊生境中植物的抗性缺少說服力。此外，關(guān)于AM真菌功能的研究多停留在生理學層面，對于其響應機制的深層挖掘有所欠缺。在此情況下，實現(xiàn)由個體到群落的研究，生理功能到響應機制的探索，對解決生產(chǎn)實踐中的實際問題至關(guān)重要。