基于文献计量的玉米逆境胁迫机制研究进展分析

谢 瑶 唐 研 刘 霞 孟 静 王 磊*

（1.山东省农业科学院科技信息研究所，济南 250100；2.山东大学管理学院，济南 250013；3.山东省农业科学院玉米研究所，济南 250100）

1 引言

玉米（Zea maysL.）是世界重要的粮食作物，广泛种植于美国、中国、巴西等国家，是畜牧、养殖业的重要饲料来源，也是食品、医疗卫生、轻工业、化工业等不可或缺的原料[1]。随着现代化工业进程的加快，市场对玉米的需求量日益增大，如何提高玉米的综合生产力成为了一个亟待解决的问题。

玉米的耐盐性相对较差，阈值约为0.017M Na‐Cl。其中苗期是整个生长周期的关键时期，对各种外界不利环境因素的胁迫更为敏感，土壤盐度高常会使玉米幼苗芽势弱、胚根少且短、苗弱、成活率低，严重影响其后期生长发育及产量[2]。目前土壤盐渍化已成为造成全球范围内农作物减产的环境限制因素之一。我国耕地面积的6.62%为盐碱地[3]，近年来，由于灌溉和施肥不当，我国的盐碱地面积不断扩大，对农业生产的影响逐年加重[4]。因此，在防治之外，盐碱地综合利用成为科研的热点，培育更抗盐碱的玉米及其他作物品种成为研究者的重要任务之一。

目前研究发现，外源磷(Pi)的施用可以改变作物的耐盐性[5]，并且施磷期间氮转运相关基因的表达显著改变[6][7]，说明氮的施加对耐盐性可能起到作用。氮以及磷、钾、铝等其它元素的加入对玉米的耐盐性是否有影响，其分子机制究竟如何，这些问题的研究不仅具有重要的科学意义，也为培育耐盐品种、提高耐盐性和产量以及充分发挥盐碱地的生产潜力提供理论依据。

基于此，本文在中国知网（CNKI）全文数据库及Web of Science 核心合集数据库搜集相关文献内容，采用文献计量学方法和CiteSpace知识图谱可视化工具，分析了目前国内外玉米逆境胁迫机制的研究进展，以期为相关学者提供新的研究视角。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

2.1.1 国外数据

国外文献样本以Web of Science核心合集数据库作为数据源，设置检索条件：（TS=(maize OR *corn OR zea mays) AND TS=(salt tolerance OR salt stress OR salinity stress OR salin*) AND TS=(phosphorus OR nitrogen OR aluminum OR potassium)），时间跨度为“不限”，文档类型（document type）为文章（article），检索日期为2019 年11 月8 日，对结果数据进行清洗与去重后得到709篇文献。

2.1.2 国内数据

国内文献样本以《中国学术期刊全文数据库》（CNKI）作为数据源，设置检索条件：（SU=（玉米*（胁迫+耐受））AND SU=（nacl+盐+氮+磷+钾+铝）），时间跨度为“不限”，数据库来源类别为“学术期刊”跨库检索，“来源类别”设置为“核心期刊”。检索后对结果数据进行清洗筛选，得到431篇文献。

2.2 研究方法

2.2.1 文献计量法

文献计量法是一种基于数理统计的定量分析方法，它以科学文献的外部特征为对象，探讨科学技术的结构、特征和规律[8]。本文从定量分析的角度出发，利用CiteSpace信息可视化软件，分析国内外玉米逆境胁迫研究的现状，揭示研究热点和前沿问题。

2.2.2 对比分析法

对比分析法是把客观事物加以比较，从数量上展示和说明研究对象之间的相关关系，以达到认识事物本质和规律并做出正确评价的方法[9]。本文利用对比分析方法，将国内外玉米抗逆境机制研究的文献从时间和空间序列上对国家、机构、期刊、作者及分析角度等方面进行横向和纵向的定量对比，以从中发现国内外研究的差异。

3 国外文献统计分析

3.1 时间序列分析

在年代分布上，Web of Science 上收录的文献总量自1975 年的第一条记录以来(图1)，呈稳步增长态势，在2018年达发文量峰值69篇，截至检索日（2019‐11‐09），2019年发文量已达65篇，推测2019年的总发文量可能超越2018 年成为该领域发文量最多的一年。由此可见，玉米的逆境胁迫相关研究在国际上仍然是一个稳步成长中的研究点，仍保持在持续上升状态。

3.2 空间序列分析

玉米逆境胁迫研究领域的文献共见于68个国家/地区。其中我国发文量最高达142 篇，其次为美国109篇，巴基斯坦70篇、伊朗45篇、德国43篇、印度41篇、西班牙41 篇等（表1），均属玉米种植面积或对玉米需求量较大的国家。中美两国的总发文量合计占全球总发文量的20%以上，在该领域研究中有较明显的优势。

用CiteSpace 绘制玉米逆境胁迫文献的国家分布知识图谱，并获得各国家/地区的贡献中心度（图2、表2），可见各国之间的联系基本呈网状，说明存在一定的国际合作关系。其中，美国、澳大利亚、韩国、巴基斯坦、中国等国家的中心度较高，占有更高的国际合作比例。根据社会网络分析的原理，一个节点的中心度越高，就表明该节点在网络中越重要，交流的频繁程度越高[10]，由此可见，上述国家在国际合作中优势显著，国际认可程度较高。同时，我国在该领域内发文量虽位居第一，但中心度排名仅为第五，二者匹配度不高，反映出我国在该领域内的研究多以本国合作为主，与其他国家的交流合作还有进一步加强的空间。

表1 Web of Science中玉米逆境胁迫研究发文量排名前15的国家/地区Table 1 Top 15 Countries/Regions in the Amount of Corn Stress Studies in Web of Science

表2 Web of Science中文献贡献中心度排名前15的国家/地区Table 2 Top 15 countries/regions in terms of centrali‐ty in Web of Science

3.3 主要研究机构

本次检索结果共涉及72 个机构，中心度前15 位的机构（表3）中发文量最高的是印度的费萨拉巴德大学，其次是中国科学院、中国农业大学等。但从节点中心度的排序来看，中国科学院的发文量虽不居首位，但中心度最高，体现出我国顶级科研院所与其他机构的国际合作交流相对较多，合作质量相对较高。该领域的核心发文机构主要以农业科研院所和农业高校为主，机构合作呈现较为分散的特征（图3）。主要合作团体有两个，一是以中国农科院以及中国农业大学为核心，与美国高等院校存在合作关系的合作网络，另一个是印度部分大学之间的本国合作网络。但最高0.06的中心度也说明：目前该领域的国际合作程度相当不明显，合作的程度与水平尚有提高空间。

表3 Web of Science中玉米逆境胁迫研究发文中心度排名前15的机构Table 3 Top 15 institutions in terms of centrality in Web of Science

3.4 研究热点分析

关键词是查找文献的重要检索点，是目标文献与研究方向发展主旨的精炼，高频关键词常被视为一个领域的研究热点[11]。高频关键词可以根据齐普夫第二定律T=（其中T 为高频词和低频词的分界频次，I1是频次为1的关键词的数量）进行提取[12]。根据该定律，T≥18 即可认定为该领域中的核心关键词。本次检索中，关键词频大于18的有59个，通过筛选、合并、剔除同义词等数据清洗方式，构建了玉米逆境胁迫相关文献高频关键词库，其中频率排名前20位的关键词如表4所示。

表4 Web of Science玉米逆境胁迫研究关键词中心度排序前20Table 4 Top 20 keyword centricity in Web of Science

利用CiteSpace 软件绘制关键词共现知识图谱（图4），进行数据清洗与选择后，本研究领域的高频关键词主要包括“soil（土壤）”、“accumulation（积累）”、“quality（质量）”、“water（水分）”、“irrigation（灌溉）”等。

以出现频次最高的“玉米”为中心点，通过知识图谱网络定位其他高频关联词，将这些词汇聚类分析后，归纳出5个主要的研究热点方向。

（1）盐水（Saline Water），主要包括地表水盐碱化导致的种植地盐碱化、土壤、地表水盐碱化导致的玉米种植条件恶化相关环境解决方案，包括氮肥施用、引入微生物以影响玉米种植土壤类型、农业灌溉手段的科学管理方法研究等；

（2）氮矿化（nitrogen mineralization）的主要研究方向包括不同盐度水平下氮矿化的相关操作、土壤微生物活性对于氮矿化过程的影响、氮矿化过程中的钾再分配[13]、钙质盐对氮矿化的影响作用，包括可促进氮矿化的微生物细胞内各类生物活动的分子生物学与酶学研究等；

（3）促生细菌（PGPR），主要包括根际促生细菌对玉米逆境胁迫的作用[14]、各类根际促生细菌的基因组学研究、根际促生细菌与氮磷钾肥施用对于盐胁迫的联合作用研究[15]等；

（4）放射性示踪剂（同位素标记物，Using K‐42），在聚类标签中出现钾元素，说明钾元素与胁迫条件的相互作用属于较为主流的研究视角，而在玉米逆境胁迫相关研究中，与钾离子相关的研究一般使用同位素标记物来进行追踪。主要研究方向包括生长过程中钾的离子通量研究、钾离子流入对玉米生长的改善（尤其是盐胁迫条件下）、不同亲和力水平的钾离子在玉米细胞内的转运效果等。说明钾元素与胁迫条件的相互作用属于较为主流的研究视角；

（5）交互效应（Interactive Effect）是指一个因素各个水平之间反应量的差异随其他因素发生变化的现象。它的存在说明同时研究的若干因素的效应非独立[16]。在该聚类标签下，涉及的文献多为研究各类硫酸盐、硝酸盐等与根际促生细菌、各类酶（如硝酸还原酶、黄嘌呤脱氢酶、抗氧化酶等）的交互效应，及对玉米芽期后生长面临的逆境胁迫的影响。

3.5 研究前沿分析

在发掘前沿关键词时，对Web of Science 中的主题词按出现的时间进行排序（表5），利用CiteSpace的时间序列（Time Zone）图谱（图5）与突现关键词（Burstness）爆发点图谱（图6）综合分析该领域的研究前沿。其中突现关键词检测是用于挖掘某一学科领域在某段时间内出现频次最多的关键词，得出在一段时间内引文量最大的关键词图谱的方法[17]。可以看出Web of Science 中收录的权威文献中，与单一元素如钾、钙、氮等相关的研究在2010 年前后结束高强度被引。表明学界对于单一元素对玉米逆境胁迫影响的相关认识已足够深入和全面，因此文章发表与引用数量近年来有所下降。随着研究手段的不断进步和研究视角的不断更新，目前高被引的突现关键词多存在于手段更为细化的、涉及玉米全生长期尤其是苗期细胞内的多因素联合效应研究中。

表5 关键词频次按年度排序（前20项）Table 5 Top 20 items of keyword frequency sorted by Year

4 国内文献统计分析

4.1 时间序列分析

目前我国核心期刊涉及玉米逆境胁迫的文章最早见于1992 年（图7‐8）。自第一篇核心文献发表以来，发文数量存在较大的波动，但整体呈上升趋势。2010 年发文数量达最大值为23 篇，占总发文量的近10%，2017年达到第二个小高峰20篇，目前发文量再次呈上升趋势。结合我国在国际权威期刊中的发文量与中心度排名来看，为了提升该领域研究的核心能力与水平，我国学者应寻求更多的国际交流与合作，以提升国际认可程度，朝着引领国际研究前沿的方向发展。

4.2 空间序列分析

中国学术期刊全文数据库中的431 篇文献共涉及33 个研究机构，发文量排名前20 位的机构如图9所示。发文量最高的为沈阳农业大学，累计发文34篇，其次为四川农业大学（23 篇）、东北农业大学（22篇）、西北农林科技大学（19 篇）等，这些活跃的发文机构大多属于农业大省的农业院校。除国家级研究机构外，国内玉米主产区东北三省、甘肃、山东、河南等地的玉米研究机构数量约占全部机构的近半数，这说明玉米相关研究是依托于专业化研究和田间试验，且种植需求可以推动科研进步。

在国内玉米逆境胁迫方向研究机构分布知识图谱（图10）中进行机构同名合并后可以发现，目前该领域研究中机构合作关系较不密切，存在的合作关系不超过10 组，且大多数合作发生于各农业大省区域内的机构之间。例如，沈阳农业大学农学院和黑龙江八一农垦大学农学院、四川农业大学玉米研究所和西昌学院农业科学学院、山东农业大学生命科学学院和山东省作物生物学重点实验室之间的合作等。由并不密集的合作关系网络可以看出，国内玉米逆境胁迫领域的研究机构之间的交流与合作尚有进一步加强的空间。

4.3 作者及共被引分析

全部文献共涉及作者425 位，根据普赖斯定律[18]，本文将定义高产作者数量为位。由于位次21 的作者文献产出量为5 篇，因此将发文量在5篇以上的作者列入高产作者（表6）。

表6 高产作者Table 6 High output authors

从数据可视化图上可以发现，合作关系极为强烈的团队之合作程度排名，基本与高产机构的排名吻合。该领域作者合作与分布的知识图谱（图11）显示：研究者们一般在自己所在的机构或研究团队内部建立合作关系，并逐渐形成稳定的科研团队。例如黑龙江八一农垦大学的杨克军、王玉凤团队，河南农业大学的王春丽、刘宗华团队，沈阳农业大学的王庆祥团队等等。

4.4 研究热点分析

在国内玉米盐胁迫相关文献中提取高频关键词作为研究热点分析样本，利用CiteSpace 绘制关键词共现知识图谱（图12），可以看到中心度较高的关键词有盐胁迫、低磷胁迫、低氮胁迫、玉米幼苗等。以高频关键词为节点，向四周发散的连线呈略有交叉的辐射状，说明该领域的研究方向和热点较多，并且各个研究方向与热点之间存在一定的交叉关系，这也证实了国内玉米盐胁迫领域已呈现多学科、多热点的交叉属性。

由于国内该研究方向的文献相对较少，仅有400余篇，且由于逆境胁迫条件的非单一性，聚类分析时得出的聚类标签的区别程度不高，所包含的关键词存在高度交叉重合的现象。

将聚类标签与关键词（表7）进行结合分析，得到4个研究热点，主要包括：

表7 词频前20的关键词Table 7 Top 20 keywords ordered by frequency

（1）玉米全生长过程中盐胁迫的影响研究，主要通过改变土壤中盐含量来观察不同品种、不同环境条件下玉米的产量变化和各项生理指标变化[19]；

（2）玉米苗期盐胁迫的干预研究，主要研究方向是在苗期添加各种不同外源性因素，如在土壤或叶面喷淋赤霉素[20]、水杨酸[21]、海藻糖[22]等，观察对玉米盐胁迫下的生理反应以及对产量的影响；

（3）玉米盐胁迫与基因组学研究，主要方向为异源表达的玉米基因对于其他生物在盐胁迫条件下的生理影响[23]、利用转基因玉米自交系研究不同目标基因对玉米应答盐胁迫的影响及其反应机制[24]等研究手段与方向；

（4）玉米盐胁迫的酶学研究，主要包括盐胁迫条件下玉米各类酶的表达分析[25]，酶对玉米抗盐胁迫能力的作用分析[26]，以及针对抵消盐胁迫对玉米各类酶活性的影响[27、28]的研究等。

4.5 研究前沿分析与展望

由国内外研究热点对比可见，近年来，国内玉米盐胁迫相关研究已经涉及细胞学、遗传学、表观遗传学、分子生物学等学科，其视角由专注研究某几项单一因素胁迫及其生理特征，转变为研究多条件、多因素的交互作用，以及涉及蛋白质组学、酶学等的机制研究，逐渐向国际水平靠拢。

观察近5年CNKI所收录的我国核心期刊在该领域中的主要聚类关键词（表8，图13）可知，目前我国在此领域内的研究与国际发展方向并不完全相同：国内的研究仍专注于玉米本身的各项生理指标在盐胁迫下的不同表现，以及盐胁迫与其他自然条件胁迫的综合研究，其中涉及学科交叉、交互效应等综合视角的研究才刚刚开始。通过对国际权威数据库收录的论文进行分析，可以发现目前国际前沿的研究方向已经涵盖了包括大环境角度、土壤角度、基因层面的生理机制等各个方面更深入的研究。

由此可见，我国学者在该领域内发文量较高，但中心度略低的情况有其深层次原因。要改变这个局面，需要国内研究者积极关注国际的最新研究趋势，加强联系与合作，将目光发散至玉米生长的上下游全阶段、全环境之中，以期将玉米盐胁迫的相关研究做深做透。

表8 CNKI中玉米盐胁迫研究近5年关键词时间排序Table 8 Keywords of the last five years

5 结论

培育高产、稳定、优质的玉米品种是改善民生的重大举措，提高玉米盐胁迫相关研究工作的创新能力和研究水平，使玉米种植整体朝着高水平、多元化的方向发展，是国内外农业科研工作者的重要研究课题。本文利用可视化数据分析方法在对国内外玉米逆境胁迫相关文献的现状、热点和发展前沿进行对比分析发现，国内该领域的研究不仅文献产出量世界领先，研究方向也正在逐步接轨国际先进水平（图13）。

展望未来，玉米盐胁迫机制的相关研究还面临许多挑战，主要包括玉米生长全系列、全过程的细化研究，高精尖技术的发展与应用，不同学科、不同地域、不同团队协作的构建等。就国内而言,充分利用生物学技术与其他学科的结合与交叉，研究玉米盐胁迫的全过程相关影响因素，实现玉米品种的不断改良，将是未来研究的主流趋势。