2013—2018年全球玉米育种研究发展态势分析

齐世杰, 赵静娟, 郑怀国

(北京市农林科学院农业信息与经济研究所, 北京 100097)

玉米是全球第一大作物，是我国粮食安全和稳产增产的主力军。玉米种植范围最广、单产潜力最高、用途最多，全球主要跨国种业巨头也已纷纷进入中国开展玉米研发与竞争[1]。与此同时，国内种质资源紧张、生态安全问题以及农业供给侧结构性调整对我国玉米育种提出了更高的要求。党的十八大以来，国家出台了一系列政策，投入大量财力来支持种业的改革创新发展，特别是2013年国务院办公厅印发的《国务院办公厅关于深化种业体制改革提高创新能力的意见(国办发〔2013〕109号)》，开启了我国传统种业迈向现代种业的新跨越[2]。然而，我国种业科研对农业发展的支持还明显落后于发达国家[3]。

党的十八大是我国迈向现代种业的转折点，期间，诸多学者从不同角度对玉米育种的科研现状和发展趋势进行综述[1,4-7]。此外，杨艳萍等[8]基于文献计量学,对作物育种领域的论文和专利成果进行了总体分析。但针对这一特殊时期，基于科学计量学来揭示玉米育种发展趋势，以知识图谱形式纵观我国迈向现代种业以来，全球玉米育种科研成果及其发展态势的文章较为少见。

科学计量学能客观、定量地反映学科研究领域宏观发展态势，有助于探究学科领域的发展规律，为更有效地开展科研活动提供指导[9-10]。基于此，本文以2013—2018年玉米育种研究的外文文献为研究基础，采用文献计量法，借助CiteSpace和VOSviewer可视化工具对全球玉米育种研究的发展态势进行分析，深入挖掘该领域研究热点与前沿，使相关科研人员和决策者能够客观了解玉米育种研究的发展现状，把握研究重点，揭示发展趋势，提升科研工作的竞争力和创新性。

1 数据来源及分析方法

1.1 数据来源

本研究选择Web of Science核心合集数据库，文献类型为Article和Review，检索时间范围为2013—2018年，采用主题检索方式进行文献检索。通过分析领域主题，明确检索要素及要素间的逻辑关系，经过专家咨询制定检索策略，确定检索式为：TS=[(corn or maize or "zea mays*")and(breeding or "*breed*" or germplasm or idioplasm or " germplasm resource* "or genetic* or inheritance or heredity)]，完成文献数据检索和收集。

1.2 研究方法

根据文献数据统计结果揭示玉米遗传育种文献的计量学特征，基于文献引用和耦合关系，利用关键词共现、关键词聚类方法，借助CiteSpace和VOSviewer可视化分析工具以时间线图和聚类图等形式，展示了全球玉米遗传育种研究的研究前沿和研究热点，经过人工判读，对类簇命名和解读，结合文献引文网络对玉米育种研究进行主题演进分析。

2 结果与分析

2.1 玉米育种研究发文趋势分析

图1显示，整体来看，2013—2018年玉米育种研究总发文量为6 294篇，年平均发文量基本稳定在1 050篇，论文数量波动较小，玉米育种研究处于稳步发展状态。

图1 玉米育种研究年度发文趋势

2.2 玉米育种研究力量分布及合作

2.2.1主要研究国家分析 国家的发文量一定程度上代表了这一国家在该研究领域的活跃度。H指数表示该国家发文总量中至少有h篇论文被引用h次[11]，可以从一定程度反映论文的质量与影响力，能够准确揭示国家在该领域的科研实力。图2显示了玉米育种研究论文数据发文量排名前10位国家的发文量和H指数。

图2 玉米育种主要研究国家的发文量与H指数

从发文量分析，中国排名第一，美国位居第二，两个国家发文量分别为2 086篇和1 825篇，是排名第三的德国发文量的4倍之多，远高于其他8个重要发文国家。可见，中国和美国是玉米育种基础研究产出的主力军。从国家发文的影响力来看，美国H指数最高，数值为60，遥遥领先于其他各个国家，中国虽排名第二，但H指数值只有41。综合对比分析，排名前10位国家中，中国、巴西两国的发文量较高，但H指数表现一般，说明中国和巴西发表论文的质量和影响力还有待提高，其他各国的论文产出和论文影响力表现较为一致。美国表现较为突出，其科研综合实力处于全球领先地位。

2.2.2重要国家合作分析 玉米育种研究前20个主要研究国家合作关系网见图3所示，图中节点大小表示国家发文量的高低，紫圈表示节点的中介中心度。中心度能够衡量节点在网络中的地位，中介中心度越高，在网络中的连通作用越强，说明该节点的影响力越大[12-13]，能够反映国家之间的合作紧密程度和中心地位[14]。节点间连线的粗细表示合作强度。连线的颜色深浅表示合作日期的远近，深色代表早期合作关系，浅色代表新兴合作关系。

图3 玉米育种研究重要国家合作网络

玉米育种研究合作网络形成了以德国、肯尼亚、澳大利亚、印度为中心的紧密合作布局，主要包括：①德国、瑞士、荷兰、巴西和意大利等国家形成的欧洲早期合作链；②肯尼亚、南非、法国、澳大利亚和墨西哥各国形成的中期合作链；③德国和印度、日本和瑞士、巴基斯坦和韩国等跨地域国家间的新兴合作关系，其中，巴基斯坦是突现度较高(短时间内出现频次较多的名词)的新兴合作网络的中心；④我国所在的重要国家合作网络较为单一，主要与发文量第二的美国保持合作关系；此外，与新兴研究国家的合作也较为欠缺，仍有一定的发展潜力和合作空间。

2.2.3重要研究机构分析 科技论文的发表数量和被引频次能够一定程度上反映出一个机构的产出和影响力。根据2013—2018年玉米育种研究发文量统计结果，排名前10的机构及被引频次分布情况如图4所示。排名前三的发文机构分别是中国农业科学院(423篇)、美国农业部农业研究院(Agricultural Research Service of United States Department of Agriculture, ARSUSDA，321篇)和中国农业大学(265篇)，是玉米育种重要研究机构中的先锋，其科研产出处于全球领先地位，中国农业科学院和中国农业大学是我国玉米育种研究的领军力量。

图4 玉米育种重要研究机构发文量与被引频次

从发文机构的数量来看，拥有重要研究机构数量最多的国家是中国，发文量排名前十位的机构中一半来自我国，包括2所科研机构(中国农业科学院和中国科学院)和3所大学(中国农业大学、华中农业大学和四川农业大学)，其中中国农业科学院和中国农业大学两个机构均位列前三。可以看出，自我国迈向现代种业以来，我国科研机构，特别是农业类大学在玉米育种研究的表现突出，一直活跃在玉米育种研究前沿，且科研单位和大学的发展较为均衡。美国跻身前十的机构数量仅次于中国，包括1所科研机构(美国农业部农业研究院)和3所大学(美国顶级综合性大学爱荷华州立大学、康纳尔大学和明尼苏达大学)。除中、美两国的机构之外，霍恩海姆大学是唯一跻身前十的德国研究机构，霍恩海姆大学是以农业科学为主的老牌院校，具有扎实的农业研究基础，是全球玉米育种研究的一支稳定的科研力量。从发文机构属性来看，大学性质的单位占据70%，即全球玉米育种研究的主要力量仍以大学为主。

从被引频次分析，重要机构发表论文的被引频次与科研产出数量的表现基本一致，说明我国中国农业科学院、中国农业大学和中国科学院在玉米育种研究中有较强的科研实力和影响力，美国农业部农业研究院和爱荷华州立大学是美国玉米育种的重要研究力量。德国霍恩海姆大学在玉米育种研究方向拥有较老的研究资历，多年来积累了较为深厚的学术影响力。

2.2.4机构合作网络分析 全球玉米育种研究排名前20位的机构合作网络如图5所示。全球玉米育种研究的机构合作网络中，位于中心地位(节点中紫圈的大小)机构排名前五依次为：康奈尔大学、美国农业部农业研究院、中国农业科学院、爱荷华州立大学和中国农业大学，各机构之间既有早期合作又发展了以各自为中心的新兴合作网络，呈现出以中、美两国为主的重要机构合作布局，分别为：①康奈尔大学、中国农业科学院、美国农业部农业研究院之间的早期合作关系网；②中国农业科学院、华中农业大学、四川农业大学、河南农业大学间的国内合作关系网；③美国农业部农业研究院、爱荷华州立大学、明尼苏达大学的新兴合作关系网；④威斯康星大学、中国农业大学和南京农业大学间的新兴跨国机构合作关系网络。

图5 玉米育种重要研究机构合作网络

从合作时间(节点连线的颜色)分析，全球玉米育种研究机构合作布局呈现出康奈尔大学、美国农业部农业科学研究院、中国农业科学院、爱荷华州立大学和中国农业大学5个机构之间的早期合作网络结构(深色连线)，随后逐步形成了以5个机构为中心的小型合作网络(浅色连线)。由此可知，合作模式由国家/地区间的内部合作逐渐向跨地区的国际合作模式迈进。

2.3 全球玉米育种研究主题分析

2.3.1玉米育种研究前沿 学科领域研究主题在不断地动态演变，及时探测、识别并追踪该领域的最新前沿，既能够帮助科研人员掌握学科领域的科研动态，又可以为科研管理者进行科学决策提供重要依据。

某领域的研究前沿表现为涌现的施引文献群组，可以从描述观点的正文和引用的参考文献两个方面表征研究前沿[15]。Sigma指数是结合节点在网络结构中重要性(中介中心性)和节点在时间上的重要性(突发性)两个指标符合构造的测度节点新颖性的指标[16]。通过以上两方面可以发现我们需要关注的重点前沿。

表1显示了2013—2018年玉米育种研究前沿分布。玉米育种研究的高被引论文及引文网络共形成了34个聚类，其中显著度最高的聚类有7个，分别为：作物驯化表型与性状研究、主效数量性状基因/位点、利用辐射创造突变体及定位相关研究、基因组选择、统计过程、精准杂交和新陈代谢。

表1 2013—2018年玉米育种研究前沿

结合高Sigma值节点所分布的聚类和时间，识别出2013—2018年玉米育种的4个重点研究前沿，依次为：作物驯化、主效数量性状基因/位点、利用辐射创造突变体及定位相关研究、基因组选择。由此可知，统计期间，玉米育种研究前沿与育种技术具有紧密联系，特别是分子辅助育种技术。这一结果凸显出育种技术3.0阶段的特点，即采用分子标记辅助选择及转基因技术的手段，实现单一目标性状的导入与修饰，也是迈向育种4.0阶段[17]的重要过渡期的主要特征。

2.3.2玉米育种研究热点 以玉米育种2013—2018年的6 294篇文献为样本，获取文献全部关键词，结合专家意见对关键词进行清洗和合并，最后选出出现频次≥5的有效关键词372个，计算关键词的共现关系，基于此挖掘玉米育种的研究热点和重点聚类。

关键词共现可以反映某一领域的研究热度，通过对高频关键词共现关系分析可进一步明晰研究热点[18]。全球玉米育种Top5的研究热点为：数量性状基因/位点(quantitative trait loci,QTL)、鉴定(identification)、基因(gene)、抗性(resistance)、苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis)，玉米育种常用的模式作物为拟南芥(Arabidopsisthaliana)和水稻(rice)。

表2为2013—2018年玉米育种研究文章的关键词网络聚类信息，通过Association strength算法将关键词聚为7个类别，从中遴选出具有显著性的4个聚类，经专家咨询后，确定玉米育种的热点研究主题为：①抗生物/非生物胁迫相关，如Zhang等[19]通过克隆调控叶片中Na+含量的主效QTL基因从而促进玉米抗盐性；Liu等[20]研究发现了玉米抗矮花叶病具有的一致性主效抗性位点；Chen等[21]明确了源叶和库叶对SCMV(甘蔗花叶病毒)侵染的响应，成功鉴定了玉米蛋白ZmPDI、ZmPGK和ZmPAO在SCMV增殖中的功能。②分子标记育种相关，如Su等[22]以CMS-S型不育系MD32位胞质不育基因供体，经过分子标记辅助选择，获得花粉彻底败育的S型不育系京724。③基因组学(高通量测序技术)相关，有学者获得可用于解析复杂数据性状遗传机理的高通量基因型与表型数据；并在后续研究中，通过收集玉米株型变异高通量数据，验证了5个主效QTL并精确定位了位于第3条染色体上的株高主效QTL[23-24]；Chen等[21]通过高通量筛选鉴定参与SCMV-玉米相互作用的重要功能基因。④转基因作物及技术相关，包括将转基因技术、花粉灭活技术、荧光种子技术、除草技术与常规育种技术相结合，创建玉米多控不育技术体系[25]；通过克隆高效表达的基因启动子，使之驱动ZmPLA1的转基因玉米植株，提高玉米产量等研究[26]；或是提高玉米营养等优质转基因玉米产品的研发[27-28]；提高玉米遗传转化效率的相关研究[29-31]。

表2 2013—2018年全球玉米育种研究主题聚类

2.3.3玉米育种研究主题演进 对玉米育种论文数据的关键词进行统计和清洗，以1年为时间切片，结合关键词的共现次数和中介中心性，遴选每个时间切片高频高中心性关键词(表3)。结合含有关键词的高被引文献，可以从原始研究进展和育种技术进展两方面对玉米育种的研究主题进程概括。

表3 玉米育种研究高频高中心性关键词表

玉米育种原始研究方面：①转基因育种、杂种优势相关的QTL定位。涉及玉米的基因表达和基因过表达，以及玉米的转基因育种和基因的多态性研究。其中包括，利用模式植物(如拟南芥)对玉米的抗病性和抗逆性机理研究，如Liu等[32]研究发现，玉米抗矮花叶病两个一致性的主效抗性位点，并克隆了Scmv1位点的抗病基因ZmTrxh；对玉米重要农艺性状基因的探究，如Xu等[33]研究发现，基因Glossy15在玉米苗期生长发育不同阶段的转换发挥着重要作用，并与玉米的驯化相关。此外，玉米雄花育性相关基因APV1、ZmMs7、ABP9、ZmWRKY17等也有一定研究成果[34-38]。非生物胁迫相关基因在玉米生产中的作用是最新进展，非生物胁迫相关基因鉴定和分析为玉米抗性分子设计育种提供了重要的基因资源。②玉米作物的分子育种研究，围绕耐旱性、盐碱等非生物胁迫性研究，以及基因在作物抗病性中的作用原理，同时涉及作物光合成、花期、抗病性等复杂农艺性状研究，以及对作物的风险评估。Luo等[39]通过高通量分子标记，结合DH系群体，以盐处理和对照之间的株高比作为耐盐系数，进行QTL发掘，发现玉米1条染色体存在1个主效QTL位点，且有两个候选基因(GRMZM2G007555、GRMZM2G098494)与拟南芥中抗逆基因AtSOS3和AtSOS1高度同源；Wang等[40]通过经典遗传学的方法，在高抗玉米茎腐病自交系1145中找到了两个位于第1、第10条染色体上抗青枯病QTL，通过对第10条染色体主效QTL-qRfg1的克隆和抗病机理分析，确定了抗病相关的ZmCCT位点，还对ZmCCT基因在玉米抗病性的改良中的应用进行了评估。此外，围绕DNA的多态性、单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)和作物农艺性状的全基因组关联分析，以及基因编辑技术的实践和在玉米中的成功应用也是一项重要进展。Li等[41]利用454株玉米子粒中表型直链淀粉含量，以及对应的9 007 194个SNPs的基因型，进行连锁不平衡的全基因组关联分析，筛选出与直链淀粉合成相关的27个SNPs及39个潜力候选基因。Li等[42]利用开发的基因编辑系统，以玉米叶夹角为目标性状，把携带定向编辑LG1的玉米植株与一系列受体植物杂交，对玉米LG1基因进行了编辑。

育种技术和方法研究方面：分子标记辅助育种从限制性片段长度多态性、微卫星标记、数量性状位点精确定位技术在基因组测序和重要基因分离中的应用发展至单核苷酸多态性的第三代分子辅助标记选择技术。SNP因其分布密度高、遗传稳定、与表型性状相关性强、易于实现自动化分析等诸多优势成为玉米育种的重要辅助技术与研究方向。以单核苷酸序列差异为基础的分子标记辅助选择技术在我国玉米育种中应用是分子标记育种技术的最新进展。

3 讨论及建议

通过对2013—2018年全球玉米育种研究发展态势分析，总结出我国迈入现代种业以来，全球玉米育种研究的发展特点如下。

①育种技术是玉米育种研究的发展方向的风向标。当前，生物育种技术已成为世界种业追逐的焦点，基因及相关产业是农业技术的主要组成部分。随着基因组学、生物信息学、分子生物学等前沿理论的不断深化，玉米育种基因组测序、基因表达及对玉米生命活动内在机理等方面均获得不同程度的发展，QTL技术、基因鉴定、复杂农艺性状的基因功能解析成为全球玉米育种的研究热点。与此同时，转基因技术、基因编辑、分子辅助设计等技术手段的创新与应用，在深度和广度上推动了玉米育种研究的快速发展，引领了玉米育种研究的前沿领域；此外，高通量测序与芯片平台的发展使得全基因组选择辅助育种技术的应用成为了可能。可见，自我国迈进现代种业以来，全球玉米育种科技已进入新的历史阶段，玉米新品种的研发和选育也将会出现新的飞跃，育种技术的创新发展必将引领玉米育种研究登上新的台阶。

②研究力量分布不均，全球各地区发展极度不平衡。重要研究国家中，中美两国不论是从研究实力、研究机构数量，还是全球影响力方面，均远远领先于其他国家，科研优势显著，体现出中、美两个玉米生产大国的经济实力和综合国力。其他主要研究国家总体研究实力相差不大，具有齐头并进的发展趋势。同时，玉米育种研究越来越受到世界范围的关注，近年来，诸如巴基斯坦、日本等新兴研究力量迅速崛起，发展了新的区域合作链条，但全球玉米育种的主要研究力量仍集中在欧洲、亚洲和北美洲地区，非洲在玉米育种研究中处于落后地位。近年来，在“一带一路”倡议下，我国大力开展南南合作农业发展项目，将中国农业技术引入非洲，例如，在坦桑尼亚实施的玉米示范项目——“千户万亩玉米增产增收示范工程”，加快非洲地区玉米育种的发展，促使全球玉米育种研究力量布局趋向新平衡。值得注意的是，一些重要研究力量的科研质量与科研产出规模表现不一致，如中国和巴西科研活跃度较高，但科研影响力表现稍稍逊色，论文成果质量有待提高，反映出当前玉米育种科研工作中，对论文成果质量重视程度的欠缺。

③国际合作态势逐步向跨地区、跨领域的合作模式发展，玉米育种研究趋向全球化，但我国合作关系较为单一。由上文分析可知，无论是国家层面，还是机构层面，玉米育种的科学研究合作模式都呈现出跨国、跨地区的合作趋势，如近两年出现的德国和印度，日本和瑞士，韩国和巴基斯坦等跨地区的新兴合作关系；与此同时，一些国际种业公司也表现出较强的科研合作劲头，出现了公司和大学之间的跨领域合作态势，如孟山都与乔治亚大学，杜邦先锋与明尼苏达大学等。这与当今科学研究日益开放化，特别是玉米种业日益全球化密切相关。在这种大趋势下，我国玉米育种研究合作链条也逐渐延伸至国际，除一些国内外老牌研究机构之间的合作，如中国农业大学与霍恩海姆大学之外，出现了诸如南京农业大学与威斯康星大学、中国科学院与康奈尔大学等新的国际合作链，同时也反映出我国合作对象主要集中在美国，合作关系略显单一，相对而言，局限了我国农业玉米育种基础研究的发展，不利于玉米育种研究的全球化发展。

基于此，本文提出以下建议，以期为我国玉米育种科研工作和决策提供参考依据。

①重视科研成果质量，提高我国玉米育种的全球影响力。明晰国际玉米育种研究的发展脉络，把握和洞悉育种技术的动态前沿，保持并发挥我国玉米育种研究的科研优势，进一步发掘科研潜力，将科研成果产出与科研成果质量并重，努力提高我国玉米育种研究科研水平，提升我国玉米育种研究的国际影响力，进而为玉米种业发展提供强有力的科研支撑。

②加强国际合作交流，合理布局研究力量。鼓励国内机构及科研人员在全球范围内合作，特别是开展与玉米育种科研强国和玉米传统大国之间的跨国家合作，拓展与新兴研究国家，如巴基斯坦和日本之间的多区域合作。促进我国科研机构、大学与国际领先机构的学术交流。基于全球玉米育种研究中重要国家和重点研究机构的布局，逐步形成我国玉米育种研究的国际合作网络，进一步为我国科研发展积蓄力量，为科技创新奠定基础。

③把握研究前沿，追求科研创新。未来30年内，我国乃至全世界面临的全球人口激增、气候持续变化、土地资源退化和生态环境污染等威胁粮食安全的诸多问题，将不断给玉米育种行业带来新的挑战，育种科技革命性改变具有必要性和迫切性[43]。国家“创新驱动”、“一带一路走出去”的发展战略为农业科技提供了发展动力，激发了科研创新活力。在这种形势下，科研工作者应紧跟国家发展战略，把握玉米育种研究的国际动态，探索研究前沿，将传统玉米育种技术与信息科学、生物技术等高科技手段的深度交叉融合，保证我国玉米种业具有持续国际竞争力[44]。同时，还应结合我国玉米育种行业的实情和特点，建立自主创新育种体系，推进玉米育种由基础研究向应用研究的转变，研发适应新农业生态形势下的绿色、节能型玉米新品种，加强科研创新成果转化，构建产学研相结合的玉米育种体系。