基于CiteSpace的植物根系分泌物研究現狀和趨勢

王曉佳，鄒瑾，曹兵*，劉佳欣，馮學瑞，李運毛，李尚玉

（1.寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏職業技術學院，寧夏 銀川 750021）

根系分泌物是植物生長發育過程中從根系釋放到根際環境的一組有機化合物總稱［1］，是根際溝通的關鍵介質，可以改變根與土壤有機物之間的相互作用，主要包括有機酸、氨基酸、糖、維生素、植物鐵載體外酶和根緣細胞等［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物，依據植物種屬差異，最低5%最高70%的光合作用固定碳能通過根系進入土壤［4］，并對周圍環境產生調控作用［5-7］，這些從根系分泌的光合作用產物不僅是有機碳循環的重要組成部分，而且與土壤動物、微生物以及其他植物根系發生一系列的化學作用［8-9］。研究表明，根系分泌物可作為化學信號甚至化感物質影響植物種子傳播及授粉、鄰近植物生長、動物取食、微生物侵染等［10］。此外，根系分泌物不僅對植物營養和健康很重要，對于調節陸地生態系統根際基質、能量和信息交換也起著關鍵作用［11］。

目前關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］、根際微環境主要影響因子的互作機制［13］、根系分泌物化感作用的物質基礎及其分子調控機制［14-15］、根際微生物群落組成結構［16］以及根系分泌物介導下植物-土壤-微生物相互作用方式與機理［11］等，但不同研究關注的科學問題和側重點存在差異，且很少有學者對這一主題進行系統論述，因此通過文獻計量學分析方法［17-18］，對1998-2020年相關研究領域的文獻時間序列、發文量、被引次數、高頻共現關鍵詞等指標分析，可進一步研究該領域文獻的主要國家及機構貢獻度、重要期刊及學科領域分布、研究前沿趨勢等，以此幫助研究者了解該領域的發展狀況并有效把握學科未來發展和研究態勢，為國內外相關科研人員開展研究提供基礎理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究方法

本研究的數據來自Web of Science核心合集數據庫索引：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）。數據檢索策略：主題=“root exudates”or“rhizosphere exudates”，文獻類型=“article”and“review”，語言=“English”，時間=“1985-2020”。最后，收集了4047篇文章，用可視化文獻分析軟件CiteSpace 5.7.R4進行進一步分析。

1.2 數據分析方法

提取并導入Microsoft Excel 2016的數據包括以下方面：文章標題、作者姓名、期刊標題、發表年份、引用頻率、國家/地區、機構、主題類別、文章類型、研究主題等。利用Origin 2018軟件繪制相關圖。使用CiteSpace 5.7.R4進行文獻計量分析。同時計算了以下文獻計量學參數：發文量、總被引次數、篇均被引次數、h指數（每項平均引用次數）、中介中心性、IF（2019）、輪廓度、強度等。其中，h指數是一個國家、研究機構、學科、出版物或作者在一定時期內發表的論文至少有h篇的被引次數不低于h次，因其綜合考慮了發表論文數量與質量（被引次數）兩個因素，已成為評價學術成就的重要指標［19］。中介中心性用來評估植物根系分泌物研究中重要的文章、機構、國家等，是測度節點在網絡中重要性的指標。

2 結果與分析

2.1 文獻產出時序分析

為了分析該學術領域的發展水平，總結了1998年至2020年出版物的產出特征。發文量從1998年的1篇急劇增加到1999年的91篇（圖1），并在一段時間內呈波動增長態勢。同時，篇均被引次數較上年緩慢增加，總被引次數總體穩定增長。y分別代表發文量（R2=0.908）和篇均被引次數（R2=0.978），x代表年份，關于植物根系分泌物的發文量呈典型的線性增長，這說明有關植物根系分泌物的研究已經進入成熟期（圖2）。

圖1 1998-2020年植物根系分泌物發文量時間序列變化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文量與篇均被引次數的曲線擬合Fig.2 The curve fitting of number of articles and average citation per paper from 1998 to 2020

2.2 主要發文國家分析

為進一步了解全球植物根系分泌物的研究現狀，基于文獻計量在線分析平臺，對不同國家在該學術領域的貢獻進行評估。從發文量排名前6的國家發文趨勢（圖3）和國家知識圖譜（圖4）看出，發文量最多的國家是中國（962篇），其次為美國（818篇）。發文量排名前6的國家發文量共2986篇，占總發文量的73.8%。由發文走勢看，美國起步最早，為植物根系分泌物研究的發展做出了重要貢獻。排名前6位的大多數國家都是經濟高度發達國家（中國除外），這意味著中國作為一個發展中國家，尤其是在2011-2020年，在該學術領域有了突飛猛進的發展，科研能力也不斷提升。

圖3 1998-2020年文獻發表量前6的國家發文趨勢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圖譜Fig.4 Visualization knowledge map of countries of plant root exudates

2.3 機構共現分析

從發文機構排名（表1）和機構合作圖譜（圖5）可以看出，發文量排名前10的研究機構累計發文1311篇，占全部發文量的32.4%。關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，中國科學院（250篇，占6.2%）、南京農業大學（95篇，占2.4%）和西班牙國家研究委員會（91篇，占2.24%）發文量位居前三。此外，在排名前20的機構中，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構相對集中。中國科學院、南京農業大學、浙江大學和中國農業大學作為我國具有較高科研水平的研究院和高校，承擔著大量的相關研究，對我國植物根系分泌物的發展做出了突出的貢獻［20］。

圖5 植物根系分泌物研究的機構知識圖譜Fig.5 Visualization knowledge map of institutions of plant r oot exudates

表1 1998-2020年文獻發表量前10的機構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科分布

通過對植物根系分泌物研究文獻進行期刊共被引分析，可以在一定程度上反映出根系分泌物研究的重點領域，有助于研究人員選擇關鍵期刊進行文獻綜述和結果發表［21］。其中，共被引頻次最高的期刊是荷蘭出版的《Plant and Soil》，文獻發表量最多（256篇，6.3%），h指數最高為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》。實際上，在與同一領域的其他期刊比較時，IF通常作為評估期刊相對重要性的關鍵參數。植物根系分泌物研究涉及的領域主要為植物科學、土壤科學、農學、環境科學、微生物學和生態學等，其中植物科學占據首位，其次為土壤科學和農學等研究領域（圖6），基礎學科占絕對優勢。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境因子共同控制的生態學過程，涉及多個研究領域和學科，同時也體現出植物根系分泌物研究的廣泛性、綜合性和交叉性等特點。

圖6 1998-2020年文獻發表量前6的學科類別年發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年文獻發表量前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

關鍵詞被視為文章的靈魂，既反映了某個知識領域的研究熱點，又提供了文章主要信息［22］?；贑iteSpace關鍵詞共現分析，可以識別和統計與植物根系分泌物相關的研究熱點。表3是1998-2020年排名前10的高頻關鍵詞及集群表現，較高的內部同質性（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）是出現最多的關鍵詞，其次是“根際”（1013，0.04）、“植物”（692，0.03）、“有機酸”（316，0.27）、“化感作用”（305，0.25）和“氮”（263，0.07）等。在對數似然比（likelihood rate）算法的基礎上，利用CiteSpace對關鍵詞信息進行進一步的聚類分析，共得到10個簇群（圖7），分別為：“根際”“根結線蟲”“磷”“獨腳金內酯”“植物修復”“叢枝菌根真菌”“水楊酸”“自毒”“碳”和“化感作用”。簇群#0的研究主要圍繞發芽促進劑、植物激素、根際呼吸進行［24-26］。該簇群中表現最活躍的文章是“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意大利黑麥草（Lolium perenne）的生長，生理和生化的影響機制。聚類#4具有最高的輪廓值，研究內容包括代謝組學、礦質養分、植物-土壤相互作用和根系分泌物蛋白質組學等［34-38］。該簇群中表現最活躍的文章是發表在《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］，重點研究了根系分泌的檸檬酸和蘋果酸含量及其對鋁脅迫的響應機制。

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

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

為了反映相關研究的關注點和關鍵技術，利用CiteSpace中的爆發性檢測可分析植物根系分泌物研究領域的前沿及趨勢變化［40］。植物根系分泌物研究的主要突現詞圖譜包括突現關鍵詞、突現強度、起止時間等信息（表4）。可以發現，植物根系分泌物研究初期，大多數研究集中在農作物、牧草等植物營養物質的積累與運輸過程，外來植物入侵等方面。例如發表在《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制以及植物根系分泌物如何影響資源競爭［41］。隨著時間推移，植物根系分泌物的研究逐漸向根系分泌物介導下植物-土壤-微生物的相互作用、植物與根際微生物“根際對話”的形式與信號分子、重金屬誘導根系化學變化的途徑與機制和微生物群體效應與植物生長發育關系等方向轉變。例如Bais等［8］和Bronick等［42］系統研究了植物物種、環境等因素對根系分泌物以及根際相關微生物群落的影響。Hall［43］和Hinsinger［37］分析了根源誘導的化學變化如何影響無機磷，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傳遞和識別的分子機制。

表4 1998-2020年排名前20的關鍵詞共現網絡突現詞Table 4 The top 20 key words with the strongest citation bursts in the co-occurrence network from 1998 to 2020

從突現強度來看，影響（Impact）最大，高達14.7678，可以看出根系分泌物的研究在影響植物生理生態方面受到學者廣泛關注（表4）。同時，玉米、獨腳金內酯（strigolactone）、細菌群落（bacterial community）的突現強度也較高，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象集中在農作物玉米、細菌群落以及種子萌發信號物質獨腳金內酯上。

從突現持續時間來看，白羽扇豆、獨腳金內酯、玉米、真菌（fungi）、運輸（transport）是相較于其他突現詞持續時間最長的研究熱點領域（表4）。同時細菌群落、群落結構、重金屬這3個突現詞是目前最新的研究熱點前沿領域。

3 結論

從文獻產出時序來看，近22年有關植物根系分泌物的發文量與時間呈正相關?？梢灶A見，隨著分子生物學的發展，有關植物根系分泌物的科學論文數量將繼續快速增長。

從文獻發表國家來看，在植物根系分泌物的研究領域中，中國、美國、德國、日本、澳大利亞和法國占據了主導地位。雖然中國有關植物根系分泌物的發文量最多，但國際學術合作程度遠低于美國等發達國家，這表明發展中國家間的國際學術合作有待進一步加強。

從發文機構可以看出，中國科學院、南京農業大學、西班牙國家研究委員會、西澳大學等是對植物根系分泌物研究貢獻較大的機構。其中，中國科學院發文量遠超其他機構，h指數和中介中心性較高，與其他機構合作較密切，在推動植物根系分泌物研究的發展過程中扮演著重要的角色。而總被引次數和篇均被引次數最高的機構是科羅拉多州立大學，可見該機構很受學者們歡迎。

從主要學科分布來看，植物根系分泌物的研究涉及植物科學、土壤科學、農學、環境科學、微生物學和生態學等多個學科門類，體現出植物根系分泌物研究的廣泛性、綜合性和交叉性等特點。

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

從研究熱點來看，植物根系分泌物的研究主要集中在根際、植物、土壤、有機酸、化感作用等方面。對關鍵詞進行聚類，共得到10個簇群，分別是：根際，根結線蟲，磷，獨腳金內酯，植物修復，叢枝菌根真菌，水楊酸，自毒，碳和化感作用。隨著分子生物學和微生物學的發展，研究熱點逐漸向根系分泌物介導下植物-土壤-微生物的相互作用、植物與根際微生物“根際對話”的形式與信號分子、重金屬誘導根系化學變化的途徑與機制、微生物群體效應與植物生長發育的關系等方向轉變。

4 討論與展望

文獻作為信息、科技的載體，其數量可反映研究人員對植物根系分泌物相關研究領域的關注程度和投入程度，在1998-2020年期間，有關植物根系分泌物的研究文獻逐年遞增，發文量達到4047篇，其中我國發文962篇，占發文總量的23.8%，對國內植物根系分泌物的相關研究具有重要影響。本研究發現：1）目前，根系分泌物的研究多集中在單一的生物系統，大多只研究了根系分泌物收集、鑒定以及對植物生長發育的影響，或根系分泌物對土壤微生物的影響。建議以根系分泌物為媒介，對根系分泌物介導下植物-土壤-微生物的相互作用、植物響應根際生物脅迫的感知途徑與機制、植物與根際微生物“根際對話”的形式與信號分子和微生物群體效應與植物生長發育的關系等方面進行深入研究。2）中國在植物根系分泌物研究方面處于領先地位，但各個研究團隊及機構之間的聯系強度較弱，而植物根系分泌物研究作為一個多學科交叉融合的領域，加強國內外各研究團隊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領域，且本研究主要分析了發文量、國家、機構、關鍵詞等，對文獻其他引用情況未做分析。因此，未來可考慮利用多種數據源、多種軟件（Meta分析、VOS viewer、Netdraw、Thomson Data Analyzer等）多維度、多角度綜合評估，以期更深入準確的把握有關植物根系分泌物的研究熱點。