基于文献计量分析的植物多倍体诱导研究进展

王 晶，李 茜，高雪芹,3，伏兵哲,3

（1. 宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2. 宁夏草牧业工程技术研究中心，宁夏 银川 750021；3. 宁夏优势特色作物现代分子育种重点实验室，宁夏 银川 750021）

多倍体是指拥有两个以上完整染色体组的个体[1]，可以通过自然发生和人工诱导产生。自然发生多倍体是指具有不同倍性水平的物种间进行天然杂交或未发生减数分裂的配子与种间或种内配子结合而形成的多倍体[2]，其产生过程相对缓慢且较为罕见，根据前人统计，在被子植物中自然形成的多倍体物种仅有2%～4%[3]。随着育种技术的不断创新及多倍体诱导技术的深入研究，人们通常利用生物、化学、物理等人工诱导方法处理以提高植物多倍体的发生频率，从而克服在自然界中由于一些物种倍性水平不同而不能进行种间杂交、杂交后代不育以及某些属只有一个物种等所导致的植物基因库狭窄、经济价值性状低等难题[4]。多倍体植物一般表现为植株高大、抗逆性强，因此可将人工诱导多倍体形成作为一种策略以响应环境变化产生的遗传变异来提高植物的适应性[5-6]，但与此同时诱导形成的多倍体往往也伴随着育性低、生长慢、矮生等特征[7]，所以多倍体育种技术在以收获营养体为主的植物种质创新、性状改良及其品种选育中具有重要意义。综上，多倍体诱导技术被认为是促使生物多样性增加的一个有价值的工具，它增加了种质的多样性，为育种工作的延续奠定了基础[8-11]。

从20 世纪90 年代至今，信息技术极速发展，大数据时代逐渐到来，同时伴随着数据产生速度、方式、类型、体量的大幅提高，使得传统文献分析方法遇到巨大挑战[12]；而文献计量学作为文献计数的统计方法在此挑战下应势而生，为从海量文献中发现知识结构与学科发展提供了新的路径，该方法不仅可以评估和量化特定主题的文献增长趋势，揭示其历史发展和研究现状以及前沿趋势[13]，而且提供了从微观(期刊和机构)到宏观(国家和全球)观点的桥梁功能。

Citespace 是由陈超美教授团队研发的一款基于Java 平台，利用多元、历时、动态的信息可视化技术显现动态知识图谱，并能兼容中英文主流文献数据库的文献计量分析可视化软件[14]，通过其可确定某特定研究领域的主要研究重点和热点[15]。通过文献检索发现，目前关于多倍体诱导方面的综述文献数量有限，还未检索到利用文献计量法对该研究领域进行系统全面地综合分析的文章。而近年来多倍体诱导相关研究文献数量逐渐增加，且研究来源于不同物种和角度。因此，本研究借助Citespace 文献计量软件，从发文趋势、引文次数、国家合作关系、核心机构、发文期刊、高被引文献和高频共现关键词等角度对当前的研究进行分析和总结，有助于全面了解全球多倍体诱导相关研究现状和前沿趋势，更好地把握最新的研究动态，旨在为该研究领域的学者提供理论参考与借鉴。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

本研究使用的数据来源于中国知网(China National Knowledge Internet, CNKI)数据库[包括北大核心、中国科学引文数据库(Chinese Science Citation Database, CSCD)、工程索引(The Engineering Index,EI)、中文社会科学引文索引(Chinese Social Sciences Citation Index, CSSCI)和科学引文索引(Science Citation Index, SCI)来源的文献] 以及Web of Science 核心合集(WOS) 数据库[ 包括社会科学引文索引(Social Sciences Citation Index, SSCI)、科学引文索引(Science Citation Index Expanded, SCI-E)、会议录引文索引(Conference Proceedings Citation Index -Social Sciences & Humanities, CPCI-SSH)、会议录引文索引科技版(Conference Proceedings Citation Index -Science, CPCI-S)、化学索引数据库(Index Chemicus, IC)和化学数据库(Current Chemical Reactions Expanded,CCR-E)收录的文献]。具体检索时间为2021 年1 月3 日，时间跨度为2000 - 2020 年。CNKI 中，以“染色体加倍”或“多倍体诱导”作为检索主题，以“期刊”作为检索大类，共检索到839 篇有效文献，之后以refworks 格式输出其信息作为分析数据源；WOS 中采用基本检索，文献类型选择“article”和“review”，语种选择 “English”，检索主题为 “chromosome doubling”或“polyploidy induction”或“polyploidy inducting”，共检索出615 篇有效文献，之后以“全记录与引用的参考文献”格式输出文献信息作为分析数据源。

1.2 分析方法

本研究利用Citespace 5.7.R1 文献数据挖掘和可视化分析软件，基于“path finder (寻径网络算法)”和“co-citaion (共引分析理论)”对多倍体诱导研究领域的相关文献进行计量分析，以探寻出该研究领域演化的主要路径及其关键知识转折点，并通过绘制一系列不同的可视化知识图谱来分析学科演化和前沿趋势。本研究中计量指标的分析通过Excel 2016 完成，可视化知识图谱采用Citespace 构建，其中node types (节点类型)的选择为合作网络分析中的institution (机构)和country (国家)、共现网络分析中的keyword (关键词)、共被引分析中的cited journal(期刊共被引)。可视化图谱中每个节点(node)代表一个关键词，节点的不同圈层为年轮，根据年轮层的不同颜色展现出该关键词的引用历史记录，节点的大小显示出关键词出现频次的多少，节点之间连线(link)越多表明关键词之间的共现次数越多，并且连线粗细程度显示出相互关系的强弱[16]。因此，可视化图谱中节点大小、连线多少、连线粗细、年轮颜色及厚度均能体现出该文献发表至今被引用历史情况及其学术贡献度[17]。

2 结果与分析

2.1 文献定量分析

文献的定量分析包括每年的发文数量和被引次数，用于表示近年来相关领域的研究活动趋势，是反映相关研究程度的重要指标[18]。在一定程度上，引文数量能够反映出文献的认可度和贡献率。2000 -2020 年，CNKI 中多倍体诱导研究领域总发文量为839 篇，年平均发文量为42 篇，2000 - 2010 年发文量整体逐渐上升，2001 年发文量最少，仅15 篇，2010 年发文量最多，高达65 篇，之后2010 - 2020 年发文量逐渐下降(图1)。值得注意的是，虽然早期发表的文章数量相对较少，但它们充分描述了多倍体诱导的方法、原理与问题，因此被更频繁地引用。总被引频次和篇均被引频次的峰值分别出现在2003 年和2000 年，近10 年来被引频次呈稳定的下降趋势。

图1 中国知网中植物多倍体诱导相关研究发文量时间序列变化Figure 1 Temporal trends in the number of plant polyploidy induction papers and associated citations in China National Knowledge Infrastructure (CNKI)

2000 - 2020 年WOS 中有关多倍体诱导方面研究文献量虽然有轻微波动，但整体呈增加趋势(图2)。年均发文量为29 篇，2001 年发文量最少，仅12 篇，2020 年发文量最多，达到了62 篇，这与许多国家近年来的科研基金支持程度、重视程度、期刊数的不断增加有一定的关系，同时这也符合科技论文质量与数量不断增长的大趋势[19-20]。总被引频次呈逐渐上升趋势，与每年发文量整体趋势相一致，篇均被引频次在2000 - 2010 年呈稳定上升趋势，但在2010 - 2020 年起伏波动较大，总被引频次和篇均被引频次的峰值分别出现在2020 年和2018 年，由此可看出近年来诸多学者加深了对该研究领域的重视程度。

图2 WOS 中植物多倍体诱导相关研究发文量时间序列变化Figure 2 Temporal trends in the number of plant polyploidy induction papers and associated citations in Web of Science (WOS)

2.2 国家合作关系分析

一个机构或国家收录在WOS 中的论文数量和质量可以反映其在特定科学领域的研究水平[21]。2000 - 2020 年，WOS 中发文量前10 的国家依次为中国(181 篇)、美国(96 篇)、日本(55 篇)、巴西(23篇)、波兰(21 篇)、伊朗(21 篇)、印度(21 篇)、德国(19 篇)、法国(13 篇)和西班牙(12 篇)。这10 个国家的总发文量为462 篇，占全球发文总量的75.1%，其中中国占发文量前10 国家发文总量的39.2%，是美国的1.89 倍，远远领先于其他国家，并且其2020 年发文量高达29 篇，与1999 年相比增加了16 篇。从发文时间走势看，中国和美国起步较早，而其他国家依次于2 年或3 年后才陆续发文，伊朗更是8 年以后才开始刊文(图3)。整体来看，中国不仅发文量明显较多，而且每年发文的连续性较强，美国次之，而其他国家间断性较强，发文不连贯。近年来，国际交流和合作已经成为科学研究中的一个重要方面，有助于促进学术出版物的发展并深化其影响。本研究绘制了各国家间的合作关系网络图谱，可以看出在该研究领域，中国(China)、美国(USA)和日本(Japan)处于全球科学研究水平的领先地位，是合作贡献较多的前3 个国家，它们的中介中心性依次为0.30、0.67 和0.18 (图4)，说明美国在各个国家合作间居于重要地位。

图3 WOS 中植物多倍体诱导发表量前10 的国家发文趋势Figure 3 Trends in plant polyploidy induction papers published per year by the top 10 countries in Web of Science (WOS)

图4 WOS 中文献发表国家间合作Figure 4 Cooperation among countries in Web of Science (WOS) publications

2.3 研究机构

综合CNKI 和WOS，累积发文量前15 的研究机构中有11 所研究机构来自中国，发文量居第一的机构为北京林业大学(84 篇)，占累积发文量前15 研究机构发文总量的23.48%，是中国学术机构中最重要的科学贡献者之一，其次为南京农业大学(34 篇)和华中农业大学(31 篇) (图5)。总被引次数排名前3 的机构分别为华中农业大学、北京林业大学和法国国家农业食品与环境研究院，各占累积发文量前15研究机构刊文被引总量的18.82%、15.74%和12.55%。篇均被引次数排名也有所不同，法国国家农业食品与环境研究院、华中农业大学和西北农林科技大学位居前3，篇均被引次数分别为96、56、33，其中法国国家农业食品与环境研究院的刊文具有明显的优势。

图5 国内外发文量前15 的研究机构Figure 5 Top 15 research institutions in terms of number of articles published in China and abroad

2.4 发文期刊

学术期刊是科研学者学术成果展示的主要平台，因此对某一特定研究领域的核心期刊进行统计分析，有助于研究者快速准确地选择相应期刊进行文献查阅和论文写作[22-23]。CNKI 中发表文献总数靠前的3 个期刊依次为《北京林业大学学报》(22篇)、《核农学报》(17 篇)和《园艺学报》(11 篇)，分别占发文量前10 期刊发表文献总数的21.15%、16.35%和10.58% (表1)。《北京林业大学学报》刊文的总被引次数最高，达691；《园艺学报》刊文的平均被引次数高达52，占发文量前10 期刊平均被引次数总数的15.49%。WOS 中发表文献总数排名第1 的期刊是《Euphytica》，发文量为53 篇(21.9%)，《Plant Cell, Tissue and Organ Culture》次之，发文量为51 篇(21.1%)，其次为《Plant Breeding》。总被引次数和平均被引次数最高的期刊分别为《Plant Cell, Tissue and Organ Culture》(1 060)和《Theoretical and Applied Genetics》(25.6%)。

表1 多倍体诱导研究国内外发文量前10 的期刊Table 1 Top 10 journals in terms of number of articles published for polyploidy induction in China and abroad

2.5 文献引用

文章的被引次数一定程度上可以反映出研究的热点和潮流，还可作为衡量其学术影响力高低的重要指标[18,24-25]。表2 列出了有关多倍体诱导研究的出版物中被引用次数最多的10 篇论文，CNKI 中，郭启高等[26]在2000 年发表于《生物学通报》的“植物多倍体诱导育种研究进展”，其被引次数最高，共引220 次，占被引次数排名前10 的文献总被引次数的15.92%。WOS 中，被引次数最高的文献是Chalhoub 等[27]在2014 年 发 表 于《Science》的 “Early allopolyploid evolution in the post-NeolithicBrassica napusoilseed genome”，总被引905 次，远高于其他论文被引量；排名第2 的文献为Shaked等[28]在2001 年发表于《Plant Cell》的“Sequence elimination and cytosine methylation are rapid and reproducible responses of the genome to wide hybridization and allopolyploidy in wheat”，总被引536 次；排名第3的文献为Kashkush 等[29]在2002年 发 表 于《Genetics 》 的“Gene loss, silencing and activation in a newly synthesized wheat allotetraploid”，以上3 篇高被引文献占被引次数排名前10 的文献总被引次数的65.25%。

表2 多倍体诱导研究排名前10 的高被引文献Table 2 Top 10 of references with high citations for polyploidy induction research in China and other countries

2.6 研究前沿趋势分析

为全面了解多倍体诱导相关研究现状和前沿发展趋势，更好地把握最新的研究动态，提取出2000 -2020 年收录在CNKI 和WOS 中的有关多倍体诱导的文献关键词并进行时区视图分析。关键词高度概括了论文主题[30]，它的出现频率和每个词间的关联程度能揭示出某领域的研究热点及其内在关系[31]，而时区视图(timezone)主要侧重于在时间维度上显示知识演进过程，可清晰展示出文献的更新和相互之间的联系，因此对文献中的关键词进行时区视图分析具有重要意义[32-33]。CNKI 中共有165 个节点(nodes)，334 条连线(links)，模块化度量值(modularity,Q) = 0.541 5 > 0.3，聚类结构显著；同质化程度(mean silhouette) = 0.676 > 0.5，聚类结果合理(图6)。“秋水仙素”共出现250 次，出现频次最多，其次为“多倍体”和“染色体加倍”，分别出现242 次和119 次，此外这两个关键词节点外部的紫色圈较明显，表明具有较高的中介中心性[34]，其值分别为0.37 和0.32。突现词是指在一定时间内使用频率突然增加的关键词或术语，可以进一步反映该领域的研究前沿动向[35-36]。从CNKI 数据库中提取出10 个突现词，“倍性鉴定”的突现强度达到4.933 5，可见该词受到了学者们的广泛关注，可作为多倍体诱导研究的重要方面，也被认为是具有一定影响力的研究前沿，最早的“快速繁殖”是一种植物组织培养技术，这个研究热点从2000 年起持续到2003 年，而“甘蓝型油菜(Brassica napus)”从2001 年起持续到2005 年；之后“药用植物(2005 - 2011 年)”也相对突出，而近7 年来的研究热点主要显示为“流式细胞仪(2014 -2020 年)”和“倍性鉴定(2016 - 2020 年)”(图7)。

图6 基于中国知网的多倍体诱导研究前沿时区视图Figure 6 Temporal representation of the frontiers of research in polyploid induction based on China National Knowledge Infrastructure (CNKI)

图7 中国知网中引用率最高的10 个突现词图谱Figure 7 Knowledge map of the top 10 burst terms with the strongest citation bursts in China National Knowledge Infrastructure (CNKI)

WOS 中 共 有285 个 节 点(nodes)，1 230 条 连线(links)，模块化度量值(modularity,Q) = 0.475 7 > 0.3，聚类结构显著；同质化程度(mean silhouette) = 0.721 8 >0.7，聚类结果令人信服(图8)。出现频次前5 的关键词依次为colchicine (秋水仙素)、chromosome doubling (染色体加倍)、plant (植物)、polyploidy (多倍体)、induction (诱导)，出现次数分别为164、133、117、104 和92 次。从WOS 数据库中提取突现词10 个，“tetraploid (四倍体)”突现强度最大，高达5.19；“wheat”小麦(Triticum aestivum)，2000 - 2010 年作为研究热点持续了11 年，之后是“allopolyploid(异源多倍体，2004 - 2008 年)”、“genetic diversity(遗传多样性，2006 - 2009 年)”和“plant regeneration(植株再生，2006 - 2010 年)”，而近几年的研究热点是“gene expression (基因表达，2014 - 2017 年)”以及“induction (诱导，2018 - 2020 年)”(图9)。由此可知，多倍体诱导方面的研究不仅涉及了宏观和微观两个层面，而且呈现出从单一到多元化的趋势。

图8 基于WOS 的多倍体诱导研究前沿时区视图Figure 8 Temporal representation of the frontiers of research in polyploidy induction based on Web of Science (WOS)

图9 WOS 中引用率最高的10 个突现词图谱Figure 9 Knowledge map of the top 10 burst terms with the strongest citation bursts in Web of Science (WOS)

3 讨论

植物多倍体诱导相关论文数量的增长趋势符合科技论文数量普遍增长的大趋势[20]。这与其他研究方向的论文增长规律相对一致[37-40]，但仅从CNKI数据库分析，近几年的相关文献量逐年下降，而WOS数据库中呈逐年增加趋势，一方面代表学者越来越追求在国际平台发表高质量文章，另一方面很可能与SCI 期刊数的快速增长有关，同时也可说明近年来国际上诸多学者对该研究领域的重视程度，这在王超等[19]对直链藻属的研究趋势分析中也有所体现。随着科技全球化的发展，国际合作成为科研领域不可或缺的重要支撑，从各个国家的发文量与国家间合作关系来看，近20 年间植物多倍体诱导研究领域发文量高产的国家有中国、美国和日本，且三者间合作贡献率较高，其研究者更注重于此方面的研究，因而研究成果相对较多。发文机构、期刊之间差异较大，累积发文量前15 的研究机构中有11 所研究机构来自中国，其中北京林业大学发文数量最多，远超其他机构，该机构主要由康向阳、张金凤等带领的研究团队开展了一系列关于杨树(Populus)、杜仲(Eucommia ulmoides)等林木多倍体育种的研究[41-42]，这在推动人工诱导多倍体发展的过程中扮演着极其重要的角色，相较而言其他机构发文数量较少，因此各机构间存在的差异还需不断改善，合作程度也应进一步加强。植物多倍体诱导研究成果广泛分布在各个期刊，且期刊间的总发文数量参差不齐，发文量排名前10 的期刊受学者的关注度较高，在学术界具有一定的影响力。目前该领域的研究热点仍主要着重于秋水仙素、多倍体、染色体加倍、植物等方面，这在许多相关研究中均有所体现[43-44]。秋水仙素作为化学加倍试剂高效且可靠，因而被普遍应用；多倍体被认为是物种进化的重要因素之一[45]，可创造出植物的形态变异和生理变化[46]，是育种中一个独特的领域，人工诱导多倍体是利用秋水仙素阻止细胞内的染色体后期分离并移向两极而导致染色体加倍，具有提高植物对环境的适应性以及丰富物种遗传多样性等方面的优势。多倍体诱导在植物育种中最为常见，主要是因为诱导形成的多倍体具有器官巨大、抗逆性强、营养物质含量丰富等特点[47]。因此，对多倍体诱导研究领域进行深入探究显得尤为重要。

总体来看，植物多倍体诱导的研究热点是利用秋水仙素诱导染色体加倍形成多倍体，并准确鉴定出诱导率，研究前沿动向主要是流式细胞仪在倍性鉴定中的应用。但目前多倍体诱导方法与鉴定方法相对局限，主要集中在如何提高诱导率上，而多倍体诱导的成功率高度可变，至今还没有一个系统的多倍体化方案，并且对于多倍体诱导率的评估系统，也还没有特定的标准，所以各国科研人员应广泛关注该领域的研究，在各个国家、机构、期刊、作者之间建立紧密的合作关系，在已有研究基础上拓宽多倍体诱导的研究范围与内容，制定一个完整的多倍体化方案并解决诱导多倍体形成时出现的嵌合体问题。此外，阐明多倍体在植物基因组中的作用，深入了解多倍化后新表型表达与基因组变化之间的关系，将发生在基因组与转录组水平上的遗传变化和发生在物种表型水平和个体适应性水平上的变化联系起来，以确定在多倍体中观察到的表型和遗传变化是否具有适应性，总之仍有一系列问题需深入研究[48]。这些研究不仅在植物改良方面具有较好的发展前景，同时可以使育种学家更精准地掌握多倍体基因组并取得显著成效，从而推进多倍体诱导的发展。就研究前沿趋势而言，整体研究范围较局限，且持续时间不久，利用流式细胞仪鉴定植物倍性可能是未来多倍体诱导研究的重要方向和突破口。未来多倍体诱导产生的新品种将对高产、速生、优质、抗逆性强等特征更加重视，而现代育种技术的快速发展也终将解决这些难题，使植物多倍体育种工作更加稳定而高效的开展。

4 结论

综合CNKI 和WOS 数据库，对近20 年间植物多倍体诱导研究领域的学术论文进行文献计量分析发现，每年发表文献量整体呈波动增长趋势；发文量高产的国家有中国、美国和日本，其中中国在国际合作方面处于领先地位；发文机构中北京林业大学最为突出；期刊《Euphytica》发文数量最多，在该领域具有较大的影响力。目前有关植物多倍体诱导的研究内容仍侧重于基础性研究，利用化学方法中的秋水仙素进行诱导依然是形成植物多倍体的主要研究方法。