基于文献计量学的根瘤固氮对豆科植物影响研究可视化分析

陈 莹，吴繁琦，耿业业，白 钰，王桂荣，杨慧婕，孙志蓉

（北京中医药大学中药学院，北京 102488）

0 引言

豆科Leguminosaesp.属于双子叶植物纲、蔷薇目支，是被子植物中第三大科[1]，其植物资源丰富，在全球约有650属近18000种，贡献了全球约27%的作物产量，在中国广泛分布，约有172属1480种[2]。豆科植物在农业、林业、畜牧业和医药行业具有重要的应用价值，常见的经济类豆科作物有大豆、花生等，重要的牧草有苜蓿、紫云英等，药用豆科植物有甘草、黄芪等及优良的行道观赏树红豆、紫荆、合欢等。此外，豆科植物具有较强的抗逆性和改良土壤作用，在园林绿化、防风固沙等方面发挥着重要的作用[3]。豆科植物中存在“豆科-根瘤菌”共生固氮体系，豆科植物向根瘤中的根瘤菌提供固氮所需的底物和能量，根瘤菌在根瘤中向宿主豆科植物输出固氮产物[4-5]。根瘤菌与豆科植物共生可以促进大豆、豌豆等作物生长，还具有改良土壤结构、提高土壤酶活性等作用，有助于减少化肥施用，改善生态环境[6-8]。豆科植物根瘤固氮的相关研究涉及生物学、农学、园林、中药学等领域，目前仍在不断探索深入研究中，了解根瘤固氮对豆科植物影响的研究现状及发展趋势，对于豆科植物种植的生态化发展及提质增效具有重要的意义。

文献计量学是应用数学、统计学等计量方法研究文献和文献工作系统的数量关系和规律的学科[9]，CiteSpace软件可以分析各领域文献的信息，并可视化展现文献的研究热点和趋势，已在植物功能性状、重金属土壤修复、土壤微生物、新型冠状肺炎等研究领域应用[10-13]。本研究运用文献计量学方法，应用CiteSpace 5.5.R2软件对中国知网(CNKI)和Web of Science核心集(WOS)中截至2020年1月31日发表的豆科植物根瘤固氮相关文献的期刊、作者、机构等信息进行整理和可视化分析，展示国内外对豆科植物根瘤固氮相关研究的进展，分析当前豆科植物根瘤固氮研究的热点及未来发展趋势，为豆科植物根瘤固氮的研究提供参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

中文数据来源于中国知网(CNKI)数据库，检索时间为建库至2020年1月31日，以“根瘤固氮”为主题词。英文数据来源于Web of Science核心合集（以下简称WOS），检索时间为建库至2020年1月31日，检索主题为“nodulation and nitrogen fixation”，设置期刊类型为“Article或Review”。数据纳入标准为根瘤固氮对豆科植物影响的相关文献，包括根瘤菌的筛选及培养，豆科植物的氮元素分配等相关内容的文献。

在CNKI检索得到相关期刊文献4788篇，筛选得有效中文文献3015篇；在WOS检索得到相关期刊文献2011篇，筛选有效英文文献1871篇（有效文献的筛选为除去信息不全、重复的文献，以及通过文献内容筛选与豆科植物根瘤固氮研究不相关的文献），最终共得到根瘤固氮对豆科植物影响研究相关中英文文献4886篇。

1.2 统计分析

利用Excel 2019统计相关文献信息，应用CiteSpace 5.5.R2软件分析数据，分别对发表时间、期刊来源、研究机构、关键词等信息进行定量或可视化分析。运用CiteSpace 5.5.R2软件，以Institution和Keyword作为文献节点，分别对CNKI和WOS纳入的4886篇文献的研究机构和关键词进行共现分析，并绘制期刊共现图谱、关键词时区图谱等。

2 结果与分析

2.1 文献计量分析

2.1.1 文献时间分布 CNKI和WOS数据库中根瘤固氮对豆科植物影响的相关文献年度发表时间分布见图1，由年度总发文量可知，1953—1978年平均每年发表2篇文献，从1979年开始，发文量波动上升，至2019年相关研究最多，年发文量达253篇。WOS中豆科植物根瘤固氮研究的相关英文文献自2004年开始出现，平均每年发表115篇；CNKI在1953年开始出现相关中文文献，并分别在1982—1996年和2006—2019年形成了2个研究高峰，平均每年发表77篇。总体上，国内外对豆科植物根瘤固氮的相关研究文献发表量呈增加趋势。

2.1.2 期刊来源分析 CNKI和WOS 2个数据库中共940种期刊发表了根瘤固氮对豆科植物影响研究的文献，载文量排名前10位的期刊见表1，分别累计发文610和437篇，共占总文献量的21.43%。CNKI发表文献数量前10名的期刊中，《大豆科学》发表文献数量最多为120篇，其次是《微生物学通报》、《土壤肥料》、《微生物学报》、《微生物学杂志》。WOS中排名前10的期刊主要涉及微生物学、土壤学、植物学等领域，其中以《PLANT AND SOIL》发文量最多为79篇，其次是《SYMBIOSIS》、《MOLECULAR PLANT-MICROBE INTERACTIONS》和《JOURNAL OF PLANT NUTRITION》。

2.1.3 研究机构与国家分析 CNKI和WOS分别有227和290所研究机构参与发表根瘤固氮对豆科植物影响研究相关文献，CNKI和WOS发文量排名前10的机构见表2。CNKI中发文量排名前10的机构主要为农林类高等院校及科研院所，相关中文发文量最多的机构为中国农科院土肥所，主要方向是根瘤菌的筛选和其在田间应用试验，及根瘤菌在农林牧方面的作用和开发研究；其次为中国科学院上海植物生理研究所，主要方向是根瘤菌的分子机制研究；福建省亚热带植物研究所，主要方向是豆科植物的结瘤固氮研究，研究植物有南洋楹、银合欢、四棱豆等。英文发文量排名前3的机构分别为INRA（法国农业科学研究院）、Embrapa Soja（巴西农业研究公司大豆研究部门）和Chinese Acad Sci（中国科学院）。

表2 根瘤固氮相关文献发文量排名前10的机构

续表2

对中文相关文献的研究机构合作进行可视化分析（图2），节点越大表示出现频次越多，连接的线条表示存在合作关系。由图2可知，中国农科院土肥所、中国科学院上海植物生理研究所、福建省亚热带植物研究所3所机构分别形成3个节点；其次为华中农业大学农业微生物学国家重点实验室形成1个节点，在2002—2019年间主要是对根瘤菌基因的共生固氮功能研究。东北农业大学农学院、东北农业大学资源与环境学院、中国科学院东北地理与农业生态研究所相互形成合作连线，主要研究方向为大豆根瘤固氮的影响因素、大豆氮素吸收及利用等。相关英文文献的研究机构可视化分析显示研究机构共形成有293个节点，相互之间形成了345条连接线（图3），法国农业科学研究院INRA、巴西的Embrapa Soja和中国科学院Chinese Acad Sci分别形成3个节点，以上3个国家的机构均与其他国家的机构存在合作关系。

图2 中文文献研究机构合作网络图谱

图3 英文文献研究机构合作网络图谱

全球共有64个国家参与了根瘤固氮对豆科植物影响的相关研究，发文量排名前10的国家见图4，发文量排名前3的国家分别为美国（329篇），中国（194篇）和巴西（188篇）。对英文文献各国之间的合作关系进行可视化分析（图5）,共有65个节点，相互之间形成了385条连接线。此外，美国（中心性0.25）、德国（中心性0.25）、法国（中心性0.15）、日本（中心性0.14）、澳大利亚（中心性0.11）和西班牙（中心性0.1）6个国家的中心性均大于0.1，代表聚类中的核心领域，是连接不同领域的关键枢纽。

图4 英文文献发文量前10的国家

图5 英文文献研究国家合作网络图谱

2.1.4 关键词分析 中文文献排名前10的关键词分别为根瘤菌、固氮菌、根瘤细菌、大豆、根瘤、结瘤、生物固氮、豆科植物、共生固氮和固氮。对中文关键词进行时区图分析（图6），结果表明国内对豆科植物根瘤固氮相关研究可分为4个阶段，表现为1953—1962年的研究初始阶段，主要对根瘤菌进行研究；第2阶段是从1962年开始，主要研究根瘤固氮对作物的增产效益；第3阶段是从1965年开始，主要研究豆科绿肥和根瘤菌微肥的应用；第4阶段是从1977年开始，逐渐深入到根瘤固氮对豆科植物抗逆性影响、根瘤菌基因与遗传多样性、固氮活性和共生固氮等机制方面的研究。

图6 中文文献关键词时区图谱

英文文献排名前10的关键词为nodulation（结瘤）、nitrogen fixation（固氮）、legume（豆类）、growth（生长）、symbiosis（共生）、rhizobium（根瘤菌）、rhizobia（根瘤菌）、N-2 fixation（氮固定）、Soil（土壤）和plant（植物）。对英文文献的关键词进行共现和聚类分析，得到时间线视图（图7），聚类分析得到12个较大规模聚类，共有200个节点、286条连线，网络密度为0.0144，Modularity Q值为0.7465，Silhouette值为0.8418，表明形成的聚类结构显著，置信度高且合理。聚类数字越小，代表聚类文献数量越多，即代表该聚类领域越重要。图7中聚类#0 genome（基因组）文献量最多，说明英文文献中关于根瘤固氮的分子机制研究较多，此外，#1 plant growth（植物生长）聚类领域和#2 common bean（菜豆）聚类领域的研究文献也相对较多。

图7 英文文献关键词时间线图谱

2.1.5 研究主题分析 CNKI中根瘤固氮对豆科植物影响研究的主题可分为10类（图8）。第1类是根瘤菌对豆科植物生长及品质的影响，包括根瘤固氮促进植物生长、提高作物产量、对植物代谢成分含量和植物抗逆性的影响等。第2类为影响豆科植物根瘤固氮的因素研究，包括外界环境（温度、光照等）、栽培方式（间作、轮作等）、营养物质（磷肥、氮肥等）等因素。第3类为根瘤固氮的形成及调控机制研究，主要为豆科植物和根瘤菌的相关调控基因、mRNA等分子的作用及植物的免疫调节反应等。第4类和第5类涉及豆科植物自身的氮素利用及其栽培调控与应用方面的研究。第6、7、8类主要研究对象为根瘤菌，包括调查根瘤菌在土壤或豆科植物中的资源分布和多样性、根瘤菌株的分离和培养、科属鉴定以及高效菌株筛选等。

图8 中文文献主题分类

WOS中根瘤固氮对豆科植物影响研究的主题可分为7类（图9），按研究主题出现频次排名前5由高到低依次为豆科植物根瘤固氮的形成及调控机制（685篇），影响豆科植物根瘤固氮的因素（479篇），根瘤菌对豆科植物生长及品质的影响（305篇），根瘤菌株的分离、培养及鉴定和资源分布（199篇），根瘤菌株的筛选及促生效应（84篇）。相对于中文文献，英文文献更关注根瘤固氮相关的分子和基因等内在因素研究，阐述根瘤固氮的形成及调控机制。

图9 英文文献主题分类

2.2 根瘤固氮对豆科植物的主要影响

国内外研究表明根瘤固氮对豆科植物的主要影响体现在对豆科植物生长及产量、化学成分和抗逆性的影响三个方面。

2.2.1 根瘤固氮对豆科植物生长及产量的影响 已有研究表明通过接种根瘤菌促进根瘤固氮作用可以影响豌豆、大豆等豆科植物生长[7,14]。郭丽梅等[15]发现豌豆接种根瘤菌后可以延长其生育期，促进后期植株的生长；孟庆英等[16]研究表明，根瘤菌的施用增加了大豆的株高、主茎节数、单株荚数和单株粒数，与对照相比增产19.44%。进一步对根瘤固氮影响豆科植物生长的机制研究表明，接种根瘤菌可以促进豆科植物对氮元素及其他营养元素的吸收，Zhang[17]研究发现接种根瘤菌比不接种根瘤菌的大豆根系获取N素的能力更高，郑虎哲等[18]研究表明接种根瘤菌可以显著提高紫花苜蓿利用土壤中N和P的能力，进而提高其产量和质量。此外，接种根瘤菌可以影响豆科植物的光合作用，Rafaela等[19]研究表明接种根瘤菌对大豆共生固氮和光合作用有促进作用；郑浩宇等[20]对大豆植株进行定量减氮处理的研究结果表明接种根瘤菌并适量减少氮肥的施用可以增加大豆的光合作用与干物质积累，提示适当的减施氮肥可以达到大豆高效、高产的生产目的。综上，接种根瘤菌可以通过根瘤固氮作用直接影响豆科植物地下根系对氮营养等的吸收，间接影响地上部的光合作用，从而影响豆科植物的生长和总生物量的积累。

2.2.2 根瘤固氮对豆科植物化学成分的影响 研究表明根瘤固氮可以在一定程度上提高或影响豆科植物中化学成分的含量。王英等[21]研究发现，增施磷、钾和接种根瘤菌可提高大豆产量和油分含量。李姣姣等[22]研究发现大豆在结瘤条件下，施磷明显增加了其成熟期根系苹果酸的浓度，并显著促进高磷条件下大豆根系苹果酸的分泌速率。对豆科药用植物的研究表明接种根瘤菌可在一定程度上影响药用植物有效成分的含量，唐美琼等[23]通过回接试验发现，接种根瘤菌明显促进山豆根根瘤的形成，提高其苦参碱、氧化苦参碱的含量；黄荣韶等[24]对盆栽鸡骨草研究显示接种根瘤菌能促进其植株生长和分枝，提高鸡骨草中相思子碱的含量。

2.2.3 根瘤固氮对豆科植物抗逆性的影响 已有研究表明，接种根瘤菌可以在一定程度上提高豆科植物对干旱、盐胁迫等逆境的适应，尤其是苜蓿等豆科牧草或豆科绿肥植物[25-27]。根瘤菌与豆科植物的共生体系耐旱能力更强，沙桦欣等[25]研究显示在不同PEG人工模拟干旱条件下，与根瘤菌共生结瘤的台湾相思幼苗比未接种根瘤菌没有结瘤的台湾相思幼苗表现出更强的耐旱能力，张攀等[26]研究发现与根瘤菌共生的紫花苜蓿具有更强的渗透调节能力和活性氧防御能力。接种根瘤菌还可以影响豆科植物的耐盐胁迫的能力，祁娟等[27]研究表明，根瘤菌与苜蓿共生通过根瘤固氮作用影响植株的生长和生理应答特性从而提高苜蓿植株的抗盐胁迫能力。接种根瘤菌可以提高豆科植物对污染土壤的适应能力，孙向辉等[28]研究表明，在多氯联苯(PCBs)污染土壤中对紫花苜蓿接种根瘤菌可显著增加其体内过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性，从而提高紫花苜蓿对PCBs的抗逆性。此外，根瘤菌还能分泌植物激素（如IAA）和特异性酶[29]、增强土壤肥力[30]、改变土壤理化性质等，从而间接对豆科植物的生长产生影响。

3 讨论与结论

本研究首次应用文献计量学的方法对CNKI和WOS中截至2020年1月31日根瘤固氮对豆科植物影响的相关研究文献的发表时间、期刊来源、研究机构等信息进行分析，结果显示全球共64个国家、517所研究机构参与了豆科植物根瘤固氮的相关研究，中文文献以中国农科院土肥所、中国科学院上海植物生理研究所、福建省亚热带植物研究所3个机构的发文量较多，英文文献以INRA（法国农业科学研究院）、Embrapa Soja（巴西农业研究公司大豆研究部门）、Chinese Acad Sci（中国科学院）发文量较多，全球范围内美国、中国、巴西为主要贡献国家，主要涉及微生物学、土壤学、植物学等领域，主要期刊有《大豆科学》、《PLANT AND SOIL》、《土 壤 肥 料》、《微 生 物 学 报》、《SYMBIOSIS》等，相关中文文献年发表量分别在1982-1996年和2002-2019年形成了2个高峰。国内相关文献从前期根瘤菌对豆科植物增产效益的应用性研究，逐渐深入到根瘤固氮作用效果及发生机制的内在机理探索的研究，在2000年之后，研究热点集中在根瘤固氮对豆科植物抗逆性影响、根瘤菌基因与遗传多样性等方面，本研究与吴文彦等对Web of Science中国内外对根瘤菌研究的动态发展分析结果一致，均显示中国在根瘤菌、根瘤固氮领域的研究贡献率较大[31]。目前，中文文献对豆科植物根瘤固氮相关影响因素的研究较多，英文文献着重于对豆科植物根瘤固氮发生及调控机制方面的研究，进一步对大豆与根瘤菌共生关系的研究揭示二者共进化过程中菌对根毛侵染方式的遗传机制，为根瘤菌与豆科植物之间基因与遗传研究提供新思路[32-33]，可见国内外在根瘤固氮对豆科植物影响的分子机制研究还在不断深入。根瘤固氮对豆科植物影响的研究表明接种根瘤菌可通过根瘤固氮作用对山豆根、鸡骨草、甘草等豆科药用植物生长产生影响，如施用根瘤菌接种剂的甘草单株结瘤数量比对照高，其种苗的株高、芦头粗度、地下部分干重和总干重均比对照显著提高，从而提高甘草的生物量[34-35]。总体上，大豆、紫花苜蓿等农业类经济作物的根瘤固氮研究较药用豆科植物多，说明药用豆科植物在根瘤固氮方面的研究还需要进一步加强。

本文应用文献计量学方法对豆科植物根瘤固氮研究性文献发表的规律，进行数理统计等定量的分析，客观评价不同国家、机构等在该领域的研究现状和研究历程，并结合CiteSpace软件对所涉及科学领域及突现词等研究热点进行可视化分析，可以更系统和客观地展示根瘤固氮对豆科植物影响研究在国内外演变、现状及趋势，为豆科植物研究工作者提供参考。但本研究数据未能涵盖其他数据库如万方、PubMed等的相关文献的数据，数据来源存在局限性，同时由于检索时间的限制，而文献数据库仍在不断更新，不能全面反应实时的研究进展。但本文应用CNKI和WOS分别代表中文和英文文献的数据库，在一定程度上，可以客观反映豆科植物根瘤固氮领域研究的发展进程和趋势。总体上，国内外对豆科植物根瘤固氮的研究发文量呈上升趋势，并形成了相对稳定的研究群体，中国在该领域的研究占有重要地位。豆科植物根瘤固氮研究从根瘤固氮对豆科植物生长、理化性质的影响到根瘤固氮影响因素再到根瘤固氮形成及调控机制探索，呈现出从表观现象到内在本质机理的动态研究过程。目前根瘤固氮对豆科植物影响的研究还在不断深入，有关根瘤固氮发生及调控机制、根瘤菌基因与遗传多样性方面的研究是当前的研究热点和未来可能的发展方向。