基于文献计量：木薯近年研究热点和趋势分析

黄武 胡新文 毛帅

摘  要  为了探究热带作物木薯的研究热点和趋势，本文对近年来木薯研究成果进行了分析，数据检索时间是1999—2017年，各项数据分析和可视化分析的时间范围是2009—2017年。基于Web of Science数据库，利用网页检索功能分析了木薯研究的年发文量、基金资助机构及国家地区分布、研究方向及研究机构状况;利用CiteSpace对 2009—2017年木薯研究关键词进行共现性和可视化图谱聚类分析。中国地区发文量、基金资助分布及研究机构排名位于前列;农业研究、食品科学技术领域占比较大;以3 a为时间轴对数据的关键词聚类分析，绘制可视化信息图谱并分析聚类下的信息，得出木薯研究的趋势和热点问题。木薯淀粉-壳聚糖、燃料乙醇研究引发新的研究热点。从发文量来看，中国在木薯研究科研投入和成果数量产出方面都位居前列;分子育种成为品质改良的重要手段，木薯病毒、燃料乙醇、光暗发酵制氢、甲烷和单细胞油脂生产、延缓块根变质、耐受性基因选择持续成为关注热点;最近3 a，木薯淀粉在新型材料加工方面有了新的应用，在可再生能源方面出现了新的研究领域。

关键词  木薯;文献计量;Web of Science（WoS）;研究热点;CiteSpace中图分类号  S31      文献标识码  A

木薯（Manihot esculentaCrantz）是热带经济作物，原产南美洲亚马孙河流域，在我国已有近 200 a的栽培历史，主要在华南地区种植^[1]。近10年世界范围内的木薯研究蓬勃发展，我国木薯产业体系逐渐壮大。文献计量可以从多方面系统地分析木薯研究在世界范围类的热点和趋势，参考了已有的计量方法进行分析^[2-4]。齐兰等^[5]研究构建木薯DNA指纹图谱;方佳等^[6]研究木薯国内外产业发展;李开绵等^[7]概述了我国的木薯优势区域;郝静等^[8]研究了木薯渣的饲用价值;黄洁等^[9]分析了中国木薯产业化发展对策。有关木薯研究系统分析的发表目前不多见，本文借助CiteSpace文献计量软件及Web of Science的网页检索功能，对木薯相关文献进行可视化分析和其他表征分析，利用数据库分析机构和国家^[10]等信息。常用的文献可视化分析系统有CiteSpace、Timeriver、Temporal Graph Visualization、VxInsight等^[11]，其中CiteSpace具有多元、分时、动态的引文分析可视化技术，标识图谱上的引文节点文献和共引聚类所呈现的研究前沿^[12]。本研究追踪了木薯研究的热点与趋势，为该领域研究提供参考。

1  数据来源与统计方法

1.1 数据来源

本文分析数据来自Web of Science（WoS）的核心合集中的SCIE数据库，以“TS=（cassava OR Maninot esculenta Crantz）”为检索式^[13]，检索1999年1月1日—2017年9月5日的所有文献，共计7 451篇。

1.2 统计方法

鉴于计量软件的数据量要求原因，本文只做了2009—2017年的可视化分析和其他各项数据分析，将数据导入CiteSpace软件，在关键词共现分析之前对关键词进行聚类，使用LLR算法提取研究前沿术语，再对聚类词进行Timeline分析，根据生成的图谱和共被引关键词的中心性，将时间划分成3个阶段，分别是2009—2011、2012—2014和2015—2017年。時间节点（Years Per Slice）设为1年，术语来源（Term Source）勾选为标题（Title）、摘要（Abstract）、著者（DE）、关键字（ID），阈值设置为top=30。词类型（Term Type）、节点类型（Node Types）、连线（Links）、阈值调谐（Thresholding）、算法分析（Pruning）、可视化视图（Visualization）^[14]等进行相应的勾选，得到关键词的频次并生成木薯研究可视化图谱和聚类热词。其他的表格和图的数据均来自于Web of Science分析检索结果。

2  结果与分析

2.1 木薯研究文献发表年份分布

如图1所示，统计了1999—2017年木薯相关研究的成果，从1999年的170篇发展到2017年的784篇，中间部分年份有较小起伏，整体一直是上升趋势。

2.2 木薯研究基金资助机构分析

发文量反映了基金资助机构出现的频率，对2009—2017年木薯研究基金资助机构统计表明（图2），位于前3位的分别是巴西国家科学技术发展委员会（Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico，CNPQ）、中国国家自然科学基金（National Natural Science Foundation of China，NNSFC）、巴西高级人员进修机构（Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior，CAPES），其次是比尔和梅琳

达·盖茨基金会（Bill Melinda Gates Foundation，BMGF）、泰国研究基金（Thailand Research Fund，TRF）、圣保罗研究基金会（FAPESP）、中央大学基础研究基金（Fundamental Research Funds for the Central Universities，FRFFTCU）、孟山都基金会（Monsanto Fund，MF）、国际农业发展合作中心（CIRAD）、洛克菲勒基金会（Rockefeller Foundation，RF）等。从发表的文献所关联的基金资助机构来看，巴西国家科学技术发展委员会位列第一，中国国家自然科学基金紧随其后。

2.3  木薯研究文献的国家分布分析

从木薯研究文献的国家地区分布来看，占比较大的前5个国家地区分别是巴西、中国、美国、泰国、尼日利亚，这5个国家的发文量之和占到了世界总发文量的一半以上。

2.4 木薯研究方向和研究机构

由表1可看出，农业（Agriculture）研究的发

文量有1 020篇，占到总文献量的24.21%;其次是食品科学技术（Food Science Technology）研究的文献发表量875篇，占到总文献量的20.76%;化学（Chemistry）研究的文献发表量567篇，占到总文献量的13.45%;其次是生物技术应用微生物学（Biotechnology Applied Microbiology）、植物科學（Plant Sciences）、工程（Engineering）、高分子科学（Polymer Science）、生物化学与分子生物学（Biochemistry Molecular Biology）、能源燃料（Energy Fuels）、科学技术其他专题（Science Technology Other Topics）等。

在研究机构里，国际热带农业研究所（INT INST TROP AGR）发文量115篇，占总发文量的2.73%;圣保罗大学（UNIV SAO PAULO）112篇，占总文献量的2.66%;泰国农业大学（KASETSART UNIV）和中国科学院（CHINESE ACAD SCI）发文量86篇，占总文献量的2.04%，其次是圣路易斯唐纳德植物科学中心（DONALD DANFORTH PLANT SCI ??CTR）、隆德里纳州立大学（UNIV ESTADUAL LONDRINA）、中国热带农业科学院（CHINESE ACAD TROP AGR SCI）、孔敬大学（KHON KAEN UNIV）、哥伦比亚大学（UNIV NACL COLO?MB?IA）等。

综合研究机构和研究方向结果表明，中国在木薯研究领域中占有重要地位，科研投入和成果产出均位居前列。

2.5 文献计量图谱

2.5.1  2009―2011图谱分析  对2009―2011年数据的关键词分析得到5个聚类（图4），分别是木薯淀粉（cassava starch）、木薯（Manihot esculentaCrantz）、发酵（ fermentation）、α-淀粉酶（alpha amylase）、病毒（virus）。通过图谱可视化信息可以得出，木薯淀粉聚类下主要有高分子聚合物、生物膜、淀粉流变及糊化性质等，木薯聚类下主要涉及遗传转化、基因组草图、群体遗传学研究，发酵聚类下主要方向为块根发酵水解液的研究，α-淀粉酶聚类下主要内容为固定化酶水解木薯，病毒聚类下主要涉及影响存活率和块根产量的病害研究。

2.5.2  2012―2014图谱分析  对2012―2014年数据的关键词分析得到5个聚类（图5），分别是木薯淀粉、力学性能（mechanical property）、发酵、乙醇生产（ethanol production）、抗性淀粉（resistant starch）。木薯淀粉研究主要集中在热塑性淀粉、增塑剂、高吸水性淀粉、淀粉复合膜可生物降解膜、食品胶体等领域，力学性能聚类下主要有淀粉流变性、黏弹性等，发酵聚类下有琥珀酸发酵、白曲酶生产乙醇、固态发酵、发酵食品等，乙醇生产方面有湿式氧化、耐高温酵母、木薯残渣利用等，在抗性淀粉方面主要有直链淀粉、淀粉水解率等。

2.5.3  2015―2017图谱分析  对2015―2017年数据的关键词分析得到5个聚类（图6），分别是木薯淀粉、非生物胁迫（abiotic stress）、聚乙烯醇（polyvinyl alcohol）、可再生能源（renewable energy）、双生病毒（begomovirus）。在木薯淀粉方面主要有膳食纤维、碳纳米管修饰、复合膜、聚乙烯醇复合物、聚苯乙烯泡沫等，非生物胁迫聚类下主要有土壤温度、盐胁迫、非生物胁迫相关基因的挖掘、木薯DNA甲基化研究等，聚乙烯醇聚类下的研究主要有可生物降解复合膜、绿色复合材料等，在可再生能源方面的研究主要有太阳能木薯板、生物乙醇、纤维床生物反应器、木薯淀粉渣饲料、微生物燃料电池等，在双生病毒方面主要的研究有花叶病毒、单组分双生病毒、丛枝菌根真菌、卫星病毒等。

2.5.4  三阶段图谱分析  结合3个阶段的聚类信息可以得出，木薯淀粉、病毒2个聚类在3个阶段都有大量文献发表，表明该领域研究一直处于活跃状态。木薯发酵在前2个阶段聚类，乙醇生产和生物乙醇在后2个阶段聚类，反映出木薯淀粉生产燃料乙醇持续成为关注热点。

2.6 三阶段共现热词频率分布

从热词频率堆叠图（图7）分析3个阶段木薯研究共同点和差异，将3个阶段出现频率前10位的共现热词进行比较。在3个阶段中，共现热词出现的频率各有不同，较少部分热词出现频率相同情况。“physicochemical property”和“fu?nc?t?ional property”均在第一阶段出现后在第二阶段频率上升，但在第三阶段频率下降;只在第一阶段和第二阶段连续出现的有“gelatinization”、“am?ylose”、“rheological”;而“potato sta?rc?h”、“corn starch”是在第二阶段和第三阶段连续出现;“mechanical property”、“edible film”和“composite”是在第一阶段和第三阶段出现且频率相同。共现热词在每个阶段出现的时间和频率差异，反映了每个阶段针对木薯研究的主要方向和研究深度不同。

2.7  三阶段高被引文献

2.7.1  2009―2011年高被引文献  2009―2011年国内的木薯研究主要是（表2）：木薯作为生物燃料作物其生物乙醇的生产潜力^[15]，进一步研究了以木薯淀粉、木薯渣的暗发酵和光发酵两步法高效制氢^[16-17];依赖RNAi介导的双生病毒抗性，通过转基因获得对非洲木薯花叶病毒（ACMV）具有抗性的木薯^[18];研究生物制氢条件温度、pH、预处理接种混合菌在连续和分批热处理木薯釜馏物的影响，且发现温度比预处理菌种对于提高氢产量更为重要^[19-21]异戊烯基转移酶基因调控细胞分裂素合成获得叶片寿命延长的木薯品种^[22];海洋酵母菌从代替葡萄糖碳源的木薯淀粉水解液中生产单细胞油脂^[23];具有高纤维素降解能力的稳定嗜热微生物菌群预处理木薯渣提高甲烷产量^[24]。此阶段主要研究制取绿色燃料乙醇和氢。

2.7.2  2012―2014年高被引文献  2012―2014年间国内木薯研究主要是（表3）：木薯淀粉水解液通过酵母获得油脂制备生物柴油的研究^[25];木薯冷应激反应网络中的综合调控和转录调控，揭示热带植物耐冷的分子机制^[26];肠杆菌菌株SDM处理木薯粉生产制备2，3-丁二醇^[27];酵母抽提物促进乙酰丁酸梭菌ATC824發酵生产生物丁醇^[28];研究转基因木薯中活性氧（ROS）清除酶、铜/锌超氧化物歧化酶（MeCu/ZnSOD）和过氧化氢酶（MeCAT1）的共表达，达到延缓木薯贮藏根变质的目的^[29];光合作用、淀粉积累和非生物胁迫的基因在木薯选育中被积极选择^[30];产氢小球藻与木薯淀粉混合生物质强化产氢、甲烷效率的研究^[31];Cu/Zn超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶的表达增加可提高木薯对氧化和低温胁迫的耐受性^[32];木薯酒糟滤渣制备新型碳基固体酸及其在废弃食用油中酯化游离脂肪酸^[33];大肠杆菌NZN111木薯琥珀酸的同步糖化发酵^[34]。此阶段主要研究木薯选育和淀粉产品。

2.7.3  2015―2017年高被引文献  2015―2017年国内木薯研究主要是（表4）：两个木薯品种应对干旱胁迫的不同策略分析^[35];柠檬酸酯化制备具有热稳定性的RS（抗性淀粉）^[36];木薯CG基因体DNA甲基化在植物基因表达调控和转座子沉默中起着重要作用^[37];木薯非生物胁迫相关BZIP转录因子、WRKY基因家族的全基因组鉴定与分析^[38-39];通过基因工程控制褪黑激素生物合成基因，可以防止木薯贮藏根的变质^[40];在脉冲电场辅助乙酰化后，对木薯淀粉的纳米结构、形态和功能分析^[41];木薯工业废料和残留物生产的增值产品，主要是生物燃料等生物化学品^[42];不同取代度辛烯基琥珀酸酐改性木薯淀粉的消化率、理化性质和结构性质^[43];在乙醇-水体系中进行木薯乙酰丙酸乙酯的制备^[44]。此阶段研究主要是针对木薯淀粉产品。

3  讨论

世界范围内木薯研究热点文中做了2009― 2017年的可视化分析，2009年高被引文献分析发现木薯淀粉-壳聚糖制备可食用复合膜、木薯与生物燃料的研究^[45-46]，引发新的研究热点。在这之后主要热点有木薯育种研究领域，2009―2011年木薯基因组测序和木薯遗传转化体系建立，为木薯基因工程研究奠定了良好的基础;2012― 2014年木薯基因功能挖掘和转基因研究成为热点。2015―2017年木薯非生物胁迫成为研究热点，主要有番茄红素介导木薯非生物胁迫响应、非生物胁迫相关基因及转录因子的功能挖掘，非生物胁迫下木薯小RNA研究等。在淀粉改性及新型材料加工方面，2012―2014年，研究主要集中在热塑性淀粉、增塑剂、淀粉可生物降解复合膜、食品胶体等领域;2015―2017年，木薯淀粉在新的领域有了应用，如碳纳米管改性和修饰、淀粉-聚乙烯醇可降解材料、聚苯乙烯泡沫等。2015―2017年，在可再生能源方面有了较多研究，出现了太阳能木薯板、纤维床生物反应器、微生物燃料电池等新的热点。

国内木薯研究热点主要是木薯育种改良的研究：通过转基因获得对非洲木薯花叶病毒（ACMV）具有抗性的木薯。异戊烯基转移酶基因调控细胞分裂素合成以获得叶片寿命延长的木薯品种。了解木薯冷应激反应网络中的综合调控和转录调控，揭示热带植物耐冷的分子机制。选育中积极选择光合作用、淀粉积累和非生物胁迫的基因。研究转基因木薯中活性氧（ROS）清除酶，铜/锌超氧化物歧化酶（MeCu/ZnSOD）和过氧化氢酶（MeCAT1）的共表达，达到延缓木薯贮藏根变质的目的。通过基因工程控制褪黑激素生物合成基因，防止木薯贮藏根的变质。Cu/Zn超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶的表达增加以提高木薯对氧化和低温胁迫的耐受性;利用价值研究主要是木薯淀粉、木薯渣的暗发酵和光发酵两步法高效生物制氢，以及温度、pH、预处理接种混合菌在连续和分批热处理木薯釜馏物生物制氢。研究海洋酵母菌从代替葡萄糖碳源的木薯淀粉水解液中生产单细胞油脂，进而利用木薯淀粉水解液通过酵母获得油脂制备生物柴油。木薯酒糟滤渣制备新型碳基固体酸及其在废弃食用油中酯化游离脂肪酸。具有高纤维素降解能力的稳定嗜热微生物菌群预处理木薯渣提高甲烷产量。木薯工业废料和残留物生产的增值产品，主要是生物燃料等生物化学品。柠檬酸酯化制备具有热稳定性的抗性淀粉。

自身的研究关注在淀粉作为次生代谢物，受质体发育调控。质体有多种类型，不同质体在植物生长发育的不同阶段都有着非常重要地位，除了参与光合作用，还与淀粉、脂类、萜类、氨基酸、四吡咯和激素代谢合成有关^[47-50]。质体与核基因组之间存在正向调控和反向调控。研究表明，在烟草BY-2培养细胞的淀粉体分化过程中，质体反向调控信号对核基因组淀粉合成基因的表达非常关键^[51]。本文推测，质体反向信号调控途径与细胞内的其他信号途径的相互作用，使质体能灵敏地感知自身及环境变化，对植物的各项生理反应有着相当程度的调控能力。质体调控对植物而言是牵一发而动全身。因此，提出通过调控质体分裂创新木薯种质的新思路^[52]。质体分裂是一个多蛋白参与的过程^[53-54]。FtsZ蛋白也被证明能够调节马铃薯和水稻中淀粉体的分裂活动，改变其淀粉粒的特性^[55-56]，影响水稻复粒淀粉形成^[57]。本课题组从木薯中克隆了FtsZ家族基因进行表达模式分析，并转化大肠杆菌和拟南芥进行功能鉴定^[58-59]。以我国木薯主栽品种华南8号（Manihot esculentaCrantz. cv. M. South China 8，SC8）为遗传转化体系，构建MeFtsZs基因的正反义植物载体转化木薯，获得田间表型差异显著的MeFtsZs转基因植株。研究初步表明，调节木薯质体分裂关键基因MeFtsZ的表达，影响质体内的次生代谢物积累（色素积累、复粒淀粉增加）、叶片形态建成、开花及分枝发育、植株“源库”比，符合质体调控“牵一发而动全身”的判断。

4  结论

借助CiteSpace文献计量软件以及Web of Science的网页分析检索结果功能，对木薯相关文献进行了可视化分析和其他表征分析，得出以下结论：从发文量来看，木薯研究在农业和食品科学技术领域占比较大，中国在木薯研究科研投入和成果数量产出方面都位居前列。分子育种成为品质改良的重要手段。木薯淀粉、木薯病毒、燃料乙醇、活性氧去除以及基因工程控制褪黑激素生物合成基因来延缓木薯块根变质持续成为关注热点。木薯淀粉在新型材料加工方面的应用，如碳纳米管、淀粉-聚乙烯醇可降解材料、聚苯乙烯泡沫等。在品质选育方面有揭示热带植物耐冷的分子机制、淀粉积累和非生物胁迫基因的积极选择、酶的表达增加以提高木薯对氧化和低温胁迫的耐受性。在价值开发方面有酯化游离脂肪酸、光暗发酵结合制氢、嗜热菌群生产甲烷，大肠杆菌NZN111处理木薯琥珀酸的同步糖化发酵。在乙醇-水体系中进行木薯乙酰丙酸乙酯的制备。在可再生能源方面出现了微生物燃料电池等新的研究领域。

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