基于CiteSpace的植物根系分泌物研究现状和趋势

王晓佳，邹瑾，曹兵*，刘佳欣，冯学瑞，李运毛，李尚玉

（1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏职业技术学院，宁夏 银川 750021）

根系分泌物是植物生长发育过程中从根系释放到根际环境的一组有机化合物总称［1］，是根际沟通的关键介质，可以改变根与土壤有机物之间的相互作用，主要包括有机酸、氨基酸、糖、维生素、植物铁载体外酶和根缘细胞等［2-3］。所有生长活跃的根系都能够向周围土壤中分泌大量光合作用产物，依据植物种属差异，最低5%最高70%的光合作用固定碳能通过根系进入土壤［4］，并对周围环境产生调控作用［5-7］，这些从根系分泌的光合作用产物不仅是有机碳循环的重要组成部分，而且与土壤动物、微生物以及其他植物根系发生一系列的化学作用［8-9］。研究表明，根系分泌物可作为化学信号甚至化感物质影响植物种子传播及授粉、邻近植物生长、动物取食、微生物侵染等［10］。此外，根系分泌物不仅对植物营养和健康很重要，对于调节陆地生态系统根际基质、能量和信息交换也起着关键作用［11］。

目前关于植物根系分泌物的研究主要集中在根系分泌物的收集、分离和鉴定方法［12］、根际微环境主要影响因子的互作机制［13］、根系分泌物化感作用的物质基础及其分子调控机制［14-15］、根际微生物群落组成结构［16］以及根系分泌物介导下植物-土壤-微生物相互作用方式与机理［11］等，但不同研究关注的科学问题和侧重点存在差异，且很少有学者对这一主题进行系统论述，因此通过文献计量学分析方法［17-18］，对1998-2020年相关研究领域的文献时间序列、发文量、被引次数、高频共现关键词等指标分析，可进一步研究该领域文献的主要国家及机构贡献度、重要期刊及学科领域分布、研究前沿趋势等，以此帮助研究者了解该领域的发展状况并有效把握学科未来发展和研究态势，为国内外相关科研人员开展研究提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究方法

本研究的数据来自Web of Science核心合集数据库索引：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）。数据检索策略：主题=“root exudates”or“rhizosphere exudates”，文献类型=“article”and“review”，语言=“English”，时间=“1985-2020”。最后，收集了4047篇文章，用可视化文献分析软件CiteSpace 5.7.R4进行进一步分析。

1.2 数据分析方法

提取并导入Microsoft Excel 2016的数据包括以下方面：文章标题、作者姓名、期刊标题、发表年份、引用频率、国家/地区、机构、主题类别、文章类型、研究主题等。利用Origin 2018软件绘制相关图。使用CiteSpace 5.7.R4进行文献计量分析。同时计算了以下文献计量学参数：发文量、总被引次数、篇均被引次数、h指数（每项平均引用次数）、中介中心性、IF（2019）、轮廓度、强度等。其中，h指数是一个国家、研究机构、学科、出版物或作者在一定时期内发表的论文至少有h篇的被引次数不低于h次，因其综合考虑了发表论文数量与质量（被引次数）两个因素，已成为评价学术成就的重要指标［19］。中介中心性用来评估植物根系分泌物研究中重要的文章、机构、国家等，是测度节点在网络中重要性的指标。

2 结果与分析

2.1 文献产出时序分析

为了分析该学术领域的发展水平，总结了1998年至2020年出版物的产出特征。发文量从1998年的1篇急剧增加到1999年的91篇（图1），并在一段时间内呈波动增长态势。同时，篇均被引次数较上年缓慢增加，总被引次数总体稳定增长。y分别代表发文量（R2=0.908）和篇均被引次数（R2=0.978），x代表年份，关于植物根系分泌物的发文量呈典型的线性增长，这说明有关植物根系分泌物的研究已经进入成熟期（图2）。

图1 1998-2020年植物根系分泌物发文量时间序列变化Fig.1 Temporal tr ends of the number of ar ticles from 1998 to 2020

图2 1998-2020年植物根系分泌物发文量与篇均被引次数的曲线拟合Fig.2 The curve fitting of number of articles and average citation per paper from 1998 to 2020

2.2 主要发文国家分析

为进一步了解全球植物根系分泌物的研究现状，基于文献计量在线分析平台，对不同国家在该学术领域的贡献进行评估。从发文量排名前6的国家发文趋势（图3）和国家知识图谱（图4）看出，发文量最多的国家是中国（962篇），其次为美国（818篇）。发文量排名前6的国家发文量共2986篇，占总发文量的73.8%。由发文走势看，美国起步最早，为植物根系分泌物研究的发展做出了重要贡献。排名前6位的大多数国家都是经济高度发达国家（中国除外），这意味着中国作为一个发展中国家，尤其是在2011-2020年，在该学术领域有了突飞猛进的发展，科研能力也不断提升。

图3 1998-2020年文献发表量前6的国家发文趋势Fig.3 Tendency of publishing papers per year of top 6 productive countries from 1998 to 2020

图4 植物根系分泌物研究的国家知识图谱Fig.4 Visualization knowledge map of countries of plant root exudates

2.3 机构共现分析

从发文机构排名（表1）和机构合作图谱（图5）可以看出，发文量排名前10的研究机构累计发文1311篇，占全部发文量的32.4%。关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，中国科学院（250篇，占6.2%）、南京农业大学（95篇，占2.4%）和西班牙国家研究委员会（91篇，占2.24%）发文量位居前三。此外，在排名前20的机构中，有6所来自中国，5所来自美国，2所来自德国，这说明植物根系分泌物的研究机构相对集中。中国科学院、南京农业大学、浙江大学和中国农业大学作为我国具有较高科研水平的研究院和高校，承担着大量的相关研究，对我国植物根系分泌物的发展做出了突出的贡献［20］。

图5 植物根系分泌物研究的机构知识图谱Fig.5 Visualization knowledge map of institutions of plant r oot exudates

表1 1998-2020年文献发表量前10的机构Table 1 The per for mance of the top 10 most pr oductive institutions from 1998 to 2020

2.4 期刊共被引和主要学科分布

通过对植物根系分泌物研究文献进行期刊共被引分析，可以在一定程度上反映出根系分泌物研究的重点领域，有助于研究人员选择关键期刊进行文献综述和结果发表［21］。其中，共被引频次最高的期刊是荷兰出版的《Plant and Soil》，文献发表量最多（256篇，6.3%），h指数最高为62，其次是《Soil Biology&Biochemistry》《Allelopathy Journal》《New Phytologist》《PLoS One》和《Frontiers in Plant Science》等（表2）。在发表量排名前10的期刊中，2019年影响因子（IF）最高的是《New Phytologist》（8.512，英 国），其 次 是《Soil Biology & Biochemistry》和《Frontiers in Plant Science》。实际上，在与同一领域的其他期刊比较时，IF通常作为评估期刊相对重要性的关键参数。植物根系分泌物研究涉及的领域主要为植物科学、土壤科学、农学、环境科学、微生物学和生态学等，其中植物科学占据首位，其次为土壤科学和农学等研究领域（图6），基础学科占绝对优势。植物根系分泌物是受植物种类、土壤和微生物等多种生物与环境因子共同控制的生态学过程，涉及多个研究领域和学科，同时也体现出植物根系分泌物研究的广泛性、综合性和交叉性等特点。

图6 1998-2020年文献发表量前6的学科类别年发表论文量和年总引用量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年文献发表量前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 研究前沿趋势分析

关键词被视为文章的灵魂，既反映了某个知识领域的研究热点，又提供了文章主要信息［22］。基于CiteSpace关键词共现分析，可以识别和统计与植物根系分泌物相关的研究热点。表3是1998-2020年排名前10的高频关键词及集群表现，较高的内部同质性（轮廓值）表示聚类匹配良好，聚类可信［23］。“根系分泌物”（1121，0.01）是出现最多的关键词，其次是“根际”（1013，0.04）、“植物”（692，0.03）、“有机酸”（316，0.27）、“化感作用”（305，0.25）和“氮”（263，0.07）等。在对数似然比（likelihood rate）算法的基础上，利用CiteSpace对关键词信息进行进一步的聚类分析，共得到10个簇群（图7），分别为：“根际”“根结线虫”“磷”“独脚金内酯”“植物修复”“丛枝菌根真菌”“水杨酸”“自毒”“碳”和“化感作用”。簇群#0的研究主要围绕发芽促进剂、植物激素、根际呼吸进行［24-26］。该簇群中表现最活跃的文章是“Colonisation of field pea roots by arbuscular mycorrhizal fungi reducesOrobancheandPhelipanchespecies seed germination”［27］，该研究表明，豌豆（Pisum sativum）根系分泌物的存在降低了种子发芽率，其主要原因是AM真菌作用。簇群#2的主题是盐胁迫，主要包括自毒作用、转基因植物根系分泌物、丛枝菌根真菌和氨基酸［28-32］，其中，Wang等［33］的文章引用量最高，主要探讨了丁草胺对意大利黑麦草（Lolium perenne）的生长，生理和生化的影响机制。聚类#4具有最高的轮廓值，研究内容包括代谢组学、矿质养分、植物-土壤相互作用和根系分泌物蛋白质组学等［34-38］。该簇群中表现最活跃的文章是发表在《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］，重点研究了根系分泌的柠檬酸和苹果酸含量及其对铝胁迫的响应机制。

图7 植物根系分泌物研究的关键词共现与聚类知识图谱Fig.7 The co-occurrence and cluster knowledge map of keywords of plant root exudates

表3 1998-2020年排名前10的高频关键词及集群表现Table 3 The per for mance of the top 10 high-fr equency key words and cluster s fr om 1998 to 2020

为了反映相关研究的关注点和关键技术，利用CiteSpace中的爆发性检测可分析植物根系分泌物研究领域的前沿及趋势变化［40］。植物根系分泌物研究的主要突现词图谱包括突现关键词、突现强度、起止时间等信息（表4）。可以发现，植物根系分泌物研究初期，大多数研究集中在农作物、牧草等植物营养物质的积累与运输过程，外来植物入侵等方面。例如发表在《Science》期刊上的“Invasive plants versus their new and old neighbors：A mechanism for exotic invasion”，讨论了外来物种入侵的机制以及植物根系分泌物如何影响资源竞争［41］。随着时间推移，植物根系分泌物的研究逐渐向根系分泌物介导下植物-土壤-微生物的相互作用、植物与根际微生物“根际对话”的形式与信号分子、重金属诱导根系化学变化的途径与机制和微生物群体效应与植物生长发育关系等方向转变。例如Bais等［8］和Bronick等［42］系统研究了植物物种、环境等因素对根系分泌物以及根际相关微生物群落的影响。Hall［43］和Hinsinger［37］分析了根源诱导的化学变化如何影响无机磷，重金属如铜、锌等。Akiyama等［44］和Umehara等［24］研究了控制真菌与其宿主植物根系之间信号传递和识别的分子机制。

表4 1998-2020年排名前20的关键词共现网络突现词Table 4 The top 20 key words with the strongest citation bursts in the co-occurrence network from 1998 to 2020

从突现强度来看，影响（Impact）最大，高达14.7678，可以看出根系分泌物的研究在影响植物生理生态方面受到学者广泛关注（表4）。同时，玉米、独脚金内酯（strigolactone）、细菌群落（bacterial community）的突现强度也较高，分别为14.0052、13.6757、12.7206，表明不同阶段植物根系分泌物研究的主要对象集中在农作物玉米、细菌群落以及种子萌发信号物质独脚金内酯上。

从突现持续时间来看，白羽扇豆、独脚金内酯、玉米、真菌（fungi）、运输（transport）是相较于其他突现词持续时间最长的研究热点领域（表4）。同时细菌群落、群落结构、重金属这3个突现词是目前最新的研究热点前沿领域。

3 结论

从文献产出时序来看，近22年有关植物根系分泌物的发文量与时间呈正相关。可以预见，随着分子生物学的发展，有关植物根系分泌物的科学论文数量将继续快速增长。

从文献发表国家来看，在植物根系分泌物的研究领域中，中国、美国、德国、日本、澳大利亚和法国占据了主导地位。虽然中国有关植物根系分泌物的发文量最多，但国际学术合作程度远低于美国等发达国家，这表明发展中国家间的国际学术合作有待进一步加强。

从发文机构可以看出，中国科学院、南京农业大学、西班牙国家研究委员会、西澳大学等是对植物根系分泌物研究贡献较大的机构。其中，中国科学院发文量远超其他机构，h指数和中介中心性较高，与其他机构合作较密切，在推动植物根系分泌物研究的发展过程中扮演着重要的角色。而总被引次数和篇均被引次数最高的机构是科罗拉多州立大学，可见该机构很受学者们欢迎。

从主要学科分布来看，植物根系分泌物的研究涉及植物科学、土壤科学、农学、环境科学、微生物学和生态学等多个学科门类，体现出植物根系分泌物研究的广泛性、综合性和交叉性等特点。

通过对期刊共被引分析，荷兰《Plant and Soil》是发文量最多、最具代表性的期刊，其次是《Soil Biology&Biochemistry》（英国）和《Allelopathy Journal》（印度）。说明这些期刊在学术界影响力较大。

从研究热点来看，植物根系分泌物的研究主要集中在根际、植物、土壤、有机酸、化感作用等方面。对关键词进行聚类，共得到10个簇群，分别是：根际，根结线虫，磷，独脚金内酯，植物修复，丛枝菌根真菌，水杨酸，自毒，碳和化感作用。随着分子生物学和微生物学的发展，研究热点逐渐向根系分泌物介导下植物-土壤-微生物的相互作用、植物与根际微生物“根际对话”的形式与信号分子、重金属诱导根系化学变化的途径与机制、微生物群体效应与植物生长发育的关系等方向转变。

4 讨论与展望

文献作为信息、科技的载体，其数量可反映研究人员对植物根系分泌物相关研究领域的关注程度和投入程度，在1998-2020年期间，有关植物根系分泌物的研究文献逐年递增，发文量达到4047篇，其中我国发文962篇，占发文总量的23.8%，对国内植物根系分泌物的相关研究具有重要影响。本研究发现：1）目前，根系分泌物的研究多集中在单一的生物系统，大多只研究了根系分泌物收集、鉴定以及对植物生长发育的影响，或根系分泌物对土壤微生物的影响。建议以根系分泌物为媒介，对根系分泌物介导下植物-土壤-微生物的相互作用、植物响应根际生物胁迫的感知途径与机制、植物与根际微生物“根际对话”的形式与信号分子和微生物群体效应与植物生长发育的关系等方面进行深入研究。2）中国在植物根系分泌物研究方面处于领先地位，但各个研究团队及机构之间的联系强度较弱，而植物根系分泌物研究作为一个多学科交叉融合的领域，加强国内外各研究团队的合作交流尤为重要。3）由于植物根系分泌物研究涉及多个领域，且本研究主要分析了发文量、国家、机构、关键词等，对文献其他引用情况未做分析。因此，未来可考虑利用多种数据源、多种软件（Meta分析、VOS viewer、Netdraw、Thomson Data Analyzer等）多维度、多角度综合评估，以期更深入准确的把握有关植物根系分泌物的研究热点。