基于CiteSpace的植物根系分泌物研究現(xiàn)狀和趨勢

王曉佳，鄒瑾，曹兵*，劉佳欣，馮學(xué)瑞，李運(yùn)毛，李尚玉

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

根系分泌物是植物生長發(fā)育過程中從根系釋放到根際環(huán)境的一組有機(jī)化合物總稱［1］，是根際溝通的關(guān)鍵介質(zhì)，可以改變根與土壤有機(jī)物之間的相互作用，主要包括有機(jī)酸、氨基酸、糖、維生素、植物鐵載體外酶和根緣細(xì)胞等［2-3］。所有生長活躍的根系都能夠向周圍土壤中分泌大量光合作用產(chǎn)物，依據(jù)植物種屬差異，最低5%最高70%的光合作用固定碳能通過根系進(jìn)入土壤［4］，并對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生調(diào)控作用［5-7］，這些從根系分泌的光合作用產(chǎn)物不僅是有機(jī)碳循環(huán)的重要組成部分，而且與土壤動(dòng)物、微生物以及其他植物根系發(fā)生一系列的化學(xué)作用［8-9］。研究表明，根系分泌物可作為化學(xué)信號(hào)甚至化感物質(zhì)影響植物種子傳播及授粉、鄰近植物生長、動(dòng)物取食、微生物侵染等［10］。此外，根系分泌物不僅對(duì)植物營養(yǎng)和健康很重要，對(duì)于調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)根際基質(zhì)、能量和信息交換也起著關(guān)鍵作用［11］。

目前關(guān)于植物根系分泌物的研究主要集中在根系分泌物的收集、分離和鑒定方法［12］、根際微環(huán)境主要影響因子的互作機(jī)制［13］、根系分泌物化感作用的物質(zhì)基礎(chǔ)及其分子調(diào)控機(jī)制［14-15］、根際微生物群落組成結(jié)構(gòu)［16］以及根系分泌物介導(dǎo)下植物-土壤-微生物相互作用方式與機(jī)理［11］等，但不同研究關(guān)注的科學(xué)問題和側(cè)重點(diǎn)存在差異，且很少有學(xué)者對(duì)這一主題進(jìn)行系統(tǒng)論述，因此通過文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析方法［17-18］，對(duì)1998-2020年相關(guān)研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)時(shí)間序列、發(fā)文量、被引次數(shù)、高頻共現(xiàn)關(guān)鍵詞等指標(biāo)分析，可進(jìn)一步研究該領(lǐng)域文獻(xiàn)的主要國家及機(jī)構(gòu)貢獻(xiàn)度、重要期刊及學(xué)科領(lǐng)域分布、研究前沿趨勢等，以此幫助研究者了解該領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r并有效把握學(xué)科未來發(fā)展和研究態(tài)勢，為國內(nèi)外相關(guān)科研人員開展研究提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究方法

本研究的數(shù)據(jù)來自Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫索引：Science Citation Index Expanded（SCI-E，1999年至今）、Social Sciences Citation Index（SSCI，2005年至今）、Arts&Humanities Citation Index（A&HCI，2005年至今），Conference Proceedings Citation Index-Science（CPCI-S，1999年 至 今）、Conference Proceedings Citation Index-Social Science&Humanities（CPCI-SSH，1995年至今）、Emerging Sources Citation Index（ESCI，2015年至今）、Current Chemical Reactions（CCR-Expanded，1985年至今）和Index Chemicus（IC，1993年至今）。數(shù)據(jù)檢索策略：主題=“root exudates”or“rhizosphere exudates”，文獻(xiàn)類型=“article”and“review”，語言=“English”，時(shí)間=“1985-2020”。最后，收集了4047篇文章，用可視化文獻(xiàn)分析軟件CiteSpace 5.7.R4進(jìn)行進(jìn)一步分析。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

提取并導(dǎo)入Microsoft Excel 2016的數(shù)據(jù)包括以下方面：文章標(biāo)題、作者姓名、期刊標(biāo)題、發(fā)表年份、引用頻率、國家/地區(qū)、機(jī)構(gòu)、主題類別、文章類型、研究主題等。利用Origin 2018軟件繪制相關(guān)圖。使用CiteSpace 5.7.R4進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析。同時(shí)計(jì)算了以下文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)參數(shù)：發(fā)文量、總被引次數(shù)、篇均被引次數(shù)、h指數(shù)（每項(xiàng)平均引用次數(shù)）、中介中心性、IF（2019）、輪廓度、強(qiáng)度等。其中，h指數(shù)是一個(gè)國家、研究機(jī)構(gòu)、學(xué)科、出版物或作者在一定時(shí)期內(nèi)發(fā)表的論文至少有h篇的被引次數(shù)不低于h次，因其綜合考慮了發(fā)表論文數(shù)量與質(zhì)量（被引次數(shù)）兩個(gè)因素，已成為評(píng)價(jià)學(xué)術(shù)成就的重要指標(biāo)［19］。中介中心性用來評(píng)估植物根系分泌物研究中重要的文章、機(jī)構(gòu)、國家等，是測度節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中重要性的指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 文獻(xiàn)產(chǎn)出時(shí)序分析

為了分析該學(xué)術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展水平，總結(jié)了1998年至2020年出版物的產(chǎn)出特征。發(fā)文量從1998年的1篇急劇增加到1999年的91篇（圖1），并在一段時(shí)間內(nèi)呈波動(dòng)增長態(tài)勢。同時(shí)，篇均被引次數(shù)較上年緩慢增加，總被引次數(shù)總體穩(wěn)定增長。y分別代表發(fā)文量（R2=0.908）和篇均被引次數(shù)（R2=0.978），x代表年份，關(guān)于植物根系分泌物的發(fā)文量呈典型的線性增長，這說明有關(guān)植物根系分泌物的研究已經(jīng)進(jìn)入成熟期（圖2）。

圖1 1998-2020年植物根系分泌物發(fā)文量時(shí)間序列變化Fig.1 Temporal tr ends of the number of ar ticles from 1998 to 2020

圖2 1998-2020年植物根系分泌物發(fā)文量與篇均被引次數(shù)的曲線擬合Fig.2 The curve fitting of number of articles and average citation per paper from 1998 to 2020

2.2 主要發(fā)文國家分析

為進(jìn)一步了解全球植物根系分泌物的研究現(xiàn)狀，基于文獻(xiàn)計(jì)量在線分析平臺(tái)，對(duì)不同國家在該學(xué)術(shù)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)進(jìn)行評(píng)估。從發(fā)文量排名前6的國家發(fā)文趨勢（圖3）和國家知識(shí)圖譜（圖4）看出，發(fā)文量最多的國家是中國（962篇），其次為美國（818篇）。發(fā)文量排名前6的國家發(fā)文量共2986篇，占總發(fā)文量的73.8%。由發(fā)文走勢看，美國起步最早，為植物根系分泌物研究的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。排名前6位的大多數(shù)國家都是經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)國家（中國除外），這意味著中國作為一個(gè)發(fā)展中國家，尤其是在2011-2020年，在該學(xué)術(shù)領(lǐng)域有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，科研能力也不斷提升。

圖3 1998-2020年文獻(xiàn)發(fā)表量前6的國家發(fā)文趨勢Fig.3 Tendency of publishing papers per year of top 6 productive countries from 1998 to 2020

圖4 植物根系分泌物研究的國家知識(shí)圖譜Fig.4 Visualization knowledge map of countries of plant root exudates

2.3 機(jī)構(gòu)共現(xiàn)分析

從發(fā)文機(jī)構(gòu)排名（表1）和機(jī)構(gòu)合作圖譜（圖5）可以看出，發(fā)文量排名前10的研究機(jī)構(gòu)累計(jì)發(fā)文1311篇，占全部發(fā)文量的32.4%。關(guān)于植物根系分泌物的研究主要集中于高校和研究院所，其中，中國科學(xué)院（250篇，占6.2%）、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)（95篇，占2.4%）和西班牙國家研究委員會(huì)（91篇，占2.24%）發(fā)文量位居前三。此外，在排名前20的機(jī)構(gòu)中，有6所來自中國，5所來自美國，2所來自德國，這說明植物根系分泌物的研究機(jī)構(gòu)相對(duì)集中。中國科學(xué)院、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)作為我國具有較高科研水平的研究院和高校，承擔(dān)著大量的相關(guān)研究，對(duì)我國植物根系分泌物的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)［20］。

圖5 植物根系分泌物研究的機(jī)構(gòu)知識(shí)圖譜Fig.5 Visualization knowledge map of institutions of plant r oot exudates

表1 1998-2020年文獻(xiàn)發(fā)表量前10的機(jī)構(gòu)Table 1 The per for mance of the top 10 most pr oductive institutions from 1998 to 2020

2.4 期刊共被引和主要學(xué)科分布

通過對(duì)植物根系分泌物研究文獻(xiàn)進(jìn)行期刊共被引分析，可以在一定程度上反映出根系分泌物研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，有助于研究人員選擇關(guān)鍵期刊進(jìn)行文獻(xiàn)綜述和結(jié)果發(fā)表［21］。其中，共被引頻次最高的期刊是荷蘭出版的《Plant and Soil》，文獻(xiàn)發(fā)表量最多（256篇，6.3%），h指數(shù)最高為62，其次是《Soil Biology&Biochemistry》《Allelopathy Journal》《New Phytologist》《PLoS One》和《Frontiers in Plant Science》等（表2）。在發(fā)表量排名前10的期刊中，2019年影響因子（IF）最高的是《New Phytologist》（8.512，英 國），其 次 是《Soil Biology & Biochemistry》和《Frontiers in Plant Science》。實(shí)際上，在與同一領(lǐng)域的其他期刊比較時(shí)，IF通常作為評(píng)估期刊相對(duì)重要性的關(guān)鍵參數(shù)。植物根系分泌物研究涉及的領(lǐng)域主要為植物科學(xué)、土壤科學(xué)、農(nóng)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、微生物學(xué)和生態(tài)學(xué)等，其中植物科學(xué)占據(jù)首位，其次為土壤科學(xué)和農(nóng)學(xué)等研究領(lǐng)域（圖6），基礎(chǔ)學(xué)科占絕對(duì)優(yōu)勢。植物根系分泌物是受植物種類、土壤和微生物等多種生物與環(huán)境因子共同控制的生態(tài)學(xué)過程，涉及多個(gè)研究領(lǐng)域和學(xué)科，同時(shí)也體現(xiàn)出植物根系分泌物研究的廣泛性、綜合性和交叉性等特點(diǎn)。

圖6 1998-2020年文獻(xiàn)發(fā)表量前6的學(xué)科類別年發(fā)表論文量和年總引用量Fig.6 Tendency of publishing articles per year and total citations per year of top 6 subject categories from 1998 to 2020

表2 1998-2020年文獻(xiàn)發(fā)表量前10的期刊Table 2 The per for mance of the top 10 most pr oductive jour nals fr om 1998 to 2020

2.5 研究前沿趨勢分析

關(guān)鍵詞被視為文章的靈魂，既反映了某個(gè)知識(shí)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，又提供了文章主要信息［22］。基于CiteSpace關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，可以識(shí)別和統(tǒng)計(jì)與植物根系分泌物相關(guān)的研究熱點(diǎn)。表3是1998-2020年排名前10的高頻關(guān)鍵詞及集群表現(xiàn)，較高的內(nèi)部同質(zhì)性（輪廓值）表示聚類匹配良好，聚類可信［23］?！案捣置谖铩保?121，0.01）是出現(xiàn)最多的關(guān)鍵詞，其次是“根際”（1013，0.04）、“植物”（692，0.03）、“有機(jī)酸”（316，0.27）、“化感作用”（305，0.25）和“氮”（263，0.07）等。在對(duì)數(shù)似然比（likelihood rate）算法的基礎(chǔ)上，利用CiteSpace對(duì)關(guān)鍵詞信息進(jìn)行進(jìn)一步的聚類分析，共得到10個(gè)簇群（圖7），分別為：“根際”“根結(jié)線蟲”“磷”“獨(dú)腳金內(nèi)酯”“植物修復(fù)”“叢枝菌根真菌”“水楊酸”“自毒”“碳”和“化感作用”。簇群#0的研究主要圍繞發(fā)芽促進(jìn)劑、植物激素、根際呼吸進(jìn)行［24-26］。該簇群中表現(xiàn)最活躍的文章是“Colonisation of field pea roots by arbuscular mycorrhizal fungi reducesOrobancheandPhelipanchespecies seed germination”［27］，該研究表明，豌豆（Pisum sativum）根系分泌物的存在降低了種子發(fā)芽率，其主要原因是AM真菌作用。簇群#2的主題是鹽脅迫，主要包括自毒作用、轉(zhuǎn)基因植物根系分泌物、叢枝菌根真菌和氨基酸［28-32］，其中，Wang等［33］的文章引用量最高，主要探討了丁草胺對(duì)意大利黑麥草（Lolium perenne）的生長，生理和生化的影響機(jī)制。聚類#4具有最高的輪廓值，研究內(nèi)容包括代謝組學(xué)、礦質(zhì)養(yǎng)分、植物-土壤相互作用和根系分泌物蛋白質(zhì)組學(xué)等［34-38］。該簇群中表現(xiàn)最活躍的文章是發(fā)表在《Soil Science and Plant Nutrition》期刊上的“Evaluation of aluminum tolerance of three barley cultivars by two short-term screening methods and field experiments”［39］，重點(diǎn)研究了根系分泌的檸檬酸和蘋果酸含量及其對(duì)鋁脅迫的響應(yīng)機(jī)制。

圖7 植物根系分泌物研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)與聚類知識(shí)圖譜Fig.7 The co-occurrence and cluster knowledge map of keywords of plant root exudates

表3 1998-2020年排名前10的高頻關(guān)鍵詞及集群表現(xiàn)Table 3 The per for mance of the top 10 high-fr equency key words and cluster s fr om 1998 to 2020

為了反映相關(guān)研究的關(guān)注點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，利用CiteSpace中的爆發(fā)性檢測可分析植物根系分泌物研究領(lǐng)域的前沿及趨勢變化［40］。植物根系分泌物研究的主要突現(xiàn)詞圖譜包括突現(xiàn)關(guān)鍵詞、突現(xiàn)強(qiáng)度、起止時(shí)間等信息（表4）?？梢园l(fā)現(xiàn)，植物根系分泌物研究初期，大多數(shù)研究集中在農(nóng)作物、牧草等植物營養(yǎng)物質(zhì)的積累與運(yùn)輸過程，外來植物入侵等方面。例如發(fā)表在《Science》期刊上的“Invasive plants versus their new and old neighbors：A mechanism for exotic invasion”，討論了外來物種入侵的機(jī)制以及植物根系分泌物如何影響資源競爭［41］。隨著時(shí)間推移，植物根系分泌物的研究逐漸向根系分泌物介導(dǎo)下植物-土壤-微生物的相互作用、植物與根際微生物“根際對(duì)話”的形式與信號(hào)分子、重金屬誘導(dǎo)根系化學(xué)變化的途徑與機(jī)制和微生物群體效應(yīng)與植物生長發(fā)育關(guān)系等方向轉(zhuǎn)變。例如Bais等［8］和Bronick等［42］系統(tǒng)研究了植物物種、環(huán)境等因素對(duì)根系分泌物以及根際相關(guān)微生物群落的影響。Hall［43］和Hinsinger［37］分析了根源誘導(dǎo)的化學(xué)變化如何影響無機(jī)磷，重金屬如銅、鋅等。Akiyama等［44］和Umehara等［24］研究了控制真菌與其宿主植物根系之間信號(hào)傳遞和識(shí)別的分子機(jī)制。

表4 1998-2020年排名前20的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)突現(xiàn)詞Table 4 The top 20 key words with the strongest citation bursts in the co-occurrence network from 1998 to 2020

從突現(xiàn)強(qiáng)度來看，影響（Impact）最大，高達(dá)14.7678，可以看出根系分泌物的研究在影響植物生理生態(tài)方面受到學(xué)者廣泛關(guān)注（表4）。同時(shí)，玉米、獨(dú)腳金內(nèi)酯（strigolactone）、細(xì)菌群落（bacterial community）的突現(xiàn)強(qiáng)度也較高，分別為14.0052、13.6757、12.7206，表明不同階段植物根系分泌物研究的主要對(duì)象集中在農(nóng)作物玉米、細(xì)菌群落以及種子萌發(fā)信號(hào)物質(zhì)獨(dú)腳金內(nèi)酯上。

從突現(xiàn)持續(xù)時(shí)間來看，白羽扇豆、獨(dú)腳金內(nèi)酯、玉米、真菌（fungi）、運(yùn)輸（transport）是相較于其他突現(xiàn)詞持續(xù)時(shí)間最長的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域（表4）。同時(shí)細(xì)菌群落、群落結(jié)構(gòu)、重金屬這3個(gè)突現(xiàn)詞是目前最新的研究熱點(diǎn)前沿領(lǐng)域。

3 結(jié)論

從文獻(xiàn)產(chǎn)出時(shí)序來看，近22年有關(guān)植物根系分泌物的發(fā)文量與時(shí)間呈正相關(guān)?？梢灶A(yù)見，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，有關(guān)植物根系分泌物的科學(xué)論文數(shù)量將繼續(xù)快速增長。

從文獻(xiàn)發(fā)表國家來看，在植物根系分泌物的研究領(lǐng)域中，中國、美國、德國、日本、澳大利亞和法國占據(jù)了主導(dǎo)地位。雖然中國有關(guān)植物根系分泌物的發(fā)文量最多，但國際學(xué)術(shù)合作程度遠(yuǎn)低于美國等發(fā)達(dá)國家，這表明發(fā)展中國家間的國際學(xué)術(shù)合作有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

從發(fā)文機(jī)構(gòu)可以看出，中國科學(xué)院、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、西班牙國家研究委員會(huì)、西澳大學(xué)等是對(duì)植物根系分泌物研究貢獻(xiàn)較大的機(jī)構(gòu)。其中，中國科學(xué)院發(fā)文量遠(yuǎn)超其他機(jī)構(gòu)，h指數(shù)和中介中心性較高，與其他機(jī)構(gòu)合作較密切，在推動(dòng)植物根系分泌物研究的發(fā)展過程中扮演著重要的角色。而總被引次數(shù)和篇均被引次數(shù)最高的機(jī)構(gòu)是科羅拉多州立大學(xué)，可見該機(jī)構(gòu)很受學(xué)者們歡迎。

從主要學(xué)科分布來看，植物根系分泌物的研究涉及植物科學(xué)、土壤科學(xué)、農(nóng)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、微生物學(xué)和生態(tài)學(xué)等多個(gè)學(xué)科門類，體現(xiàn)出植物根系分泌物研究的廣泛性、綜合性和交叉性等特點(diǎn)。

通過對(duì)期刊共被引分析，荷蘭《Plant and Soil》是發(fā)文量最多、最具代表性的期刊，其次是《Soil Biology&Biochemistry》（英國）和《Allelopathy Journal》（印度）。說明這些期刊在學(xué)術(shù)界影響力較大。

從研究熱點(diǎn)來看，植物根系分泌物的研究主要集中在根際、植物、土壤、有機(jī)酸、化感作用等方面。對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類，共得到10個(gè)簇群，分別是：根際，根結(jié)線蟲，磷，獨(dú)腳金內(nèi)酯，植物修復(fù)，叢枝菌根真菌，水楊酸，自毒，碳和化感作用。隨著分子生物學(xué)和微生物學(xué)的發(fā)展，研究熱點(diǎn)逐漸向根系分泌物介導(dǎo)下植物-土壤-微生物的相互作用、植物與根際微生物“根際對(duì)話”的形式與信號(hào)分子、重金屬誘導(dǎo)根系化學(xué)變化的途徑與機(jī)制、微生物群體效應(yīng)與植物生長發(fā)育的關(guān)系等方向轉(zhuǎn)變。

4 討論與展望

文獻(xiàn)作為信息、科技的載體，其數(shù)量可反映研究人員對(duì)植物根系分泌物相關(guān)研究領(lǐng)域的關(guān)注程度和投入程度，在1998-2020年期間，有關(guān)植物根系分泌物的研究文獻(xiàn)逐年遞增，發(fā)文量達(dá)到4047篇，其中我國發(fā)文962篇，占發(fā)文總量的23.8%，對(duì)國內(nèi)植物根系分泌物的相關(guān)研究具有重要影響。本研究發(fā)現(xiàn)：1）目前，根系分泌物的研究多集中在單一的生物系統(tǒng)，大多只研究了根系分泌物收集、鑒定以及對(duì)植物生長發(fā)育的影響，或根系分泌物對(duì)土壤微生物的影響。建議以根系分泌物為媒介，對(duì)根系分泌物介導(dǎo)下植物-土壤-微生物的相互作用、植物響應(yīng)根際生物脅迫的感知途徑與機(jī)制、植物與根際微生物“根際對(duì)話”的形式與信號(hào)分子和微生物群體效應(yīng)與植物生長發(fā)育的關(guān)系等方面進(jìn)行深入研究。2）中國在植物根系分泌物研究方面處于領(lǐng)先地位，但各個(gè)研究團(tuán)隊(duì)及機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)系強(qiáng)度較弱，而植物根系分泌物研究作為一個(gè)多學(xué)科交叉融合的領(lǐng)域，加強(qiáng)國內(nèi)外各研究團(tuán)隊(duì)的合作交流尤為重要。3）由于植物根系分泌物研究涉及多個(gè)領(lǐng)域，且本研究主要分析了發(fā)文量、國家、機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞等，對(duì)文獻(xiàn)其他引用情況未做分析。因此，未來可考慮利用多種數(shù)據(jù)源、多種軟件（Meta分析、VOS viewer、Netdraw、Thomson Data Analyzer等）多維度、多角度綜合評(píng)估，以期更深入準(zhǔn)確的把握有關(guān)植物根系分泌物的研究熱點(diǎn)。