基于文献计量的植物根系构型研究热点及趋势分析

刘长硕,吴鹏年,王艳丽,乔毅博,刘水苗,李煜铭,高晨凯,赵志恒,温鹏飞,王同朝,关小康

(1.河南农业大学农学院,河南 郑州 450046;2.河南农业大学资源与环境学院,河南 郑州 450046)

植物根系结构和空间分布决定了其获取土壤资源的能力,土壤资源分布异质性又反作用于植物自身,进而调控其生长发育和产量形成。根系的空间分布可以称为根系结构,而根系的根长、根表面积、根体积等则称为根系形态,在研究中多将二者统称为根系构型[1]。农业生产中通过栽培措施调控资源分布状态和供应能力调节根系生长发育,影响作物地上部生长,进而调控产量形成[2-3]。研究发现,环境因子中根系分布层土壤水分和养分对植物根系具有显著调节作用[4]。水分空间分布状态可诱导植物根系构型产生变异[5],表面灌溉由于水分分布于表层土壤,因此诱导植物根系分布层上移[6],而通过地下10～30 cm灌溉供水能够促使植物根系下扎,且这种深扎根方式形成的根系构型便于植物从深层土壤中吸取水分[7]。土壤有效养分空间分布同样能够促进根系构型变异使其具有高度可塑性,塑造适宜的根系构型能够显著提高植物养分吸收效率[8-10]。大量降水或漫灌条件下,来源于土壤或施肥的硝酸盐与铵盐随水分入渗扩散分布至深层土壤,作物根系由于氮素的诱导作用,根系层下移[11];磷元素在土壤中以难溶解的矿质形态存在,扩散系数较低,多分布于土壤表层,并且该元素能够促进作物根系生长与分枝结构形成,因此,造成作物主要根系层偏向于上移[12-13];钾元素主要依赖于施肥,受施肥深度影响,钾元素主要分布在土壤表层,加之该元素参与根系伸长生长,因此能够诱导根系在土壤表层不断伸长生长[14]。土壤环境因子对植物根系具有显著的诱导效应,能够通过外部措施调控来实现对作物根系构型的诱导分异,同时作物自身基因型也参与根系发育调控[15]。番茄SINPF68基因在植株处于缺氮条件下可显著增加根总长度[16],大豆GmPIN2基因则可介导生长素运输进而调控根系生长[17],小麦中,ARF基因可参与根系抗旱杂种优势基因表达[18]。可见,作物根系构型形成是环境因子和作物基因型两者协同作用共同诱导调控形成的最终结果。

对于作物根系构型研究涉及作物基因型差异、环境因子效应等多个方面,如何准确把握当前研究热点及未来研究趋势仍具有挑战性,通过文献计量分析软件对已发表文献数据进行分析,可以帮助研究者及时把握研究动态。Citespace是美国Dexrel大学陈超美教授基于Java开发的一款可将信息可视化的开源文献计量分析软件,以可视化图谱的方式展示某一领域相关文献的宏观结构和研究发展脉络[19]。通过文本挖掘技术并结合文献计量分析方法,可以将抽象数据统一整合在一起,为研究人员发现不同领域研究热点提供便利[20]。Citespace以自2004年发布以来已经深入多个学科的研究之中[21]。共现网络分析中最具代表性的关键词分析可得出目前全球研究的热点,对于了解全球研究前沿及热点问题有很好的帮助[22]。刘彬等[23]通过Citespace分析园艺学基础研究发展状况,为未来园艺学发展提供建议。秦晓楠等[24]分析国内生态安全研究,得出当前生态安全研究的前沿进展。共被引文献是指所选文献同时引用的数篇文献,这些文献之间就是共被引文献关系;同理,这些文献的作者也成共被引关系。共被引聚类分析可将较多的文献系统化为较少研究主题之间的联系,进而发现研究主题的演变,对文献研究具有重要意义[25]。陈静飞等[26]通过Citespace分析了全球炭疽研究演变。曹文杰等[27]分析国际农业污染研究进展,通过热点关键词预示研究热点指向。而以根系构型研究为主题,通过文献计量学的相关研究尚未见相关报道。

自2011—2020年以来,以根系为主题的SCI文献共260 496篇,较2001—2010年上升99.83%,且每年发文量呈上升趋势,可见根系研究已成为近年来研究热点之一。通过对根系构型的文献计量分析,可以从另一个方面深入了解根系研究的发展概况,从整体视角探明该领域基础研究脉络。本研究基于2011—2020年Web of Science核心合集数据库,使用Citespace-V知识图谱对数据进行分析,以可视化的方式显示根系构型的研究进程,从多元的视角出发,对根系相关文献进行信息挖掘,分析根系构型的研究主题和前沿,明确其发展趋势,为指导改善植物根系构型研究提供理论方向。

1 数据采集与方法

1.1 数据搜集

以Web of Science的核心合集(SCI、SSCI、A&HCI、ESCI、CPCI-S、CPCI-SSH、IC和CCR-EXPANDED)作为数据源,使用高级检索,语言类型为全部语言,文献类型为“Article”,以“root system architecture”为主题进行检索(TS=(“root system architecture”)),时间跨度设置为自定义年份范围2011—2020年。检索日期为2021-01-12,共检索出753篇文献。

1.2 可视化分析

本研究使用Citespace(版本5.7.R3)对自2011年到2020年的753篇文献进行可视化分析,时间跨度为2011—2020年,间隔为1 a;国家/地区合作网络分析、关键词网络分析、共被引共现网络分析数据选择为Top25(每年数量排名前25的关键词、国家、被引文献等),研究机构合作网络分析数据选择阈值为c=2、cc=2、ccv=20(文献被引频次为2,文献共被引频次为2,文献共引系数为20)。选择Pathfinder的裁剪方式,裁剪切割网络结构,以突出重要特征,并选择Cluster View-static和Show Merged Network显示可视化分析方式呈现最终分析结果。研究从发文量和被引频次时间分析,国家/地区和机构等合作网络分析,关键词及突现词分析,共被引文献可视化分析等方面进行研究热点与趋势分析。

2 结果及分析

2.1 发文量和被引频次的时间分布图谱

对2011—2020年所发表文献进行可视化分析(图1),在此期间,全球关于根系构型研究的相关文献发表量及其被引频次呈上升趋势。年发文量在2014年和2018年增加明显,分别较前一年增长74.42%和41.89%,表明学界对根系构型研究在2014年和2018年均有所突破。基于发文量变化,根系构型研究可划分为3个阶段:2011—2013年、2014—2017年和2018—2020年。

图1 2011—2020年文献发表量及被引频次的时间分布图

对所得文献的研究领域和学科类别进行分析,形成根系构型相关研究领域的初步认识。如表1所示,该研究领域主要集中在植物科学(62.95%)、农业(24.17%)和分子生物化学(12.35%)。而与之对应的学科类别则主要集中在植物科学(62.95%)、农学(16.87%)和土壤科学(11.16%)。相较于其他学科,植物科学领域的根系构型研究一直居于首位,而其他领域也有关于植物根系构型的研究,表明植物根系构型研究逐渐出现跨学科研究,研究领域也不仅仅局限于根系构型对植物本身的影响,还逐渐向环境与植物构型互作交叉领域发展。学科类别分布也可反映此发展趋势,对根际环境的研究也具有较高的比例,且根系构型研究也不局限于植物,根系构型影响周围微生物及生态环境也占据较高比例。

表1 所选文献的研究领域和学科分类

2.2 国家/地区与研究机构合作网络分析

通过Citespace对发文国家/地区和研究机构进行分析(表2),可得出根系构型研究的主要研究国家/地区(图2)和机构(图3)并了解其主要合作关系。分析共得节点72个,连线77条,表明至少有72个国家参与该领域研究。尽管中国近10 a发文量位居全球第一,但中心度只有0.05,表明与中国与其他国家在该领域的合作较少,而美国和德国分别位居第二和第三,但其中心度分别为0.27和0.38,均远高于中国,因此,中国根系构型研究仍需加强与美国、德国等国家相关研究机构的国际交流合作。

表2 国家/地区和研究机构发文量及其中心度

注:图右下角为时间标尺,从下往上依次表示为2011—2020年,图中圆圈大小表示发文量,圆越大表明发文量越多,圆与圆之间的连线表明各国间的合作关系,线的颜色同圆的颜色,粗细表明合作的多少,越粗表明两国之间合作越多。图中部分国家/地区见表2。下同。

注:图中部分研究机构见表2。

通过研究机构合作分布图谱分析(图3)可得,其中共有节点128个,连线124条,表明全球涉及根系构型的主要研究机构有128个,但其之间合作较少,因数据选择阈值为文献被引频次为2,文献的共被引频次为2,文献的共引系数为20,表明在该种数据选择情况下,各机构发文量记录数均为较高水平文章。诺丁汉大学记录数最多且中心度也最高,但排名前10的研究机构中,中国研究机构就占5个,分别是中国科学院、中国农业大学、南京农业大学、中国农业科学院和华中农业大学,但只有中国农业科学院中心度为0.26,其他几所中心度均低于0.1。尽管中国近10 a来发文质量均较高,但各研究机构之间的合作仍需进一步加强。

2.3 关键词网络与突现词分析

在Citespace软件中节点类型选择为关键词(keywords),对所得结果中的相似/同义关键词进行合并(如:“root system architecture”“root architecture” ),并对关键词网络图谱进行聚类(图4),最后根据Citespace得出模块值Q和平均轮廓值S2个指标来评定图谱效果 (Q值为0.4～0.8,即可视为符合要求;S值为0～1,其数值越高,表明聚类内部的研究主题越明确[28])。经过分析,关键词聚类图谱Q值为0.666 3,S值为0.879 3,且各聚类内部的研究主题明确,表明该关系图谱符合要求。高频关键词主要有“根系构型”“生长”“拟南芥”“植物”“表达”“响应”“构造”“生长素”“土壤”及“玉米”等。基于此,关于根系构型的主要研究主题可划分为3个领域(表3):一是关于根系生理影响植物根系构型的聚类研究,二是关于直接探究根系构型的聚类研究,三是关于不同植物间根系构型的聚类研究。

表3 关键词聚类信息表

注:图中部分关键词见表3。

根系生理研究主要分为外源因素及内源因素。前者主要是以干旱为代表的,对植物生长有胁迫性的环境变化问题,后者则是因植物自身因素导致的问题。目前从植物生理方向研究植物根系构型主要集中于分子层面,研究调控植物根系构型的基因及蛋白质,而研究目标多集中在生长周期较快的拟南芥。

根系构型研究分为根系结构和根系形态。根系结构主要从根系的拓扑结构,分支角度进行分析[1]。根系形态较根系结构较易分析,根系形态分为根长、根毛、根直径、组织密度、比根面积等。根系形态对植株生长具有较大影响,如根系的根尖根毛区主要负责吸水,根表面积影响植株吸水速率,根长影响植株吸水深度[29]。

植物类型研究主要研究直根系植物及须根系植物。拟南芥作为双子叶植物纲,其根系为直根系且基因组检测较为完整,故目前多应用于从分子方向探究植物根系构型研究。玉米为单子叶植物,根系为须根系且根量较多,夏玉米生育期仅3～4个月,叶片较大,多应用于从生态方向探究植物根系构型研究。

突现词是Citespace的一种对关键词分析的方式,指在一段时间内突然出现并且有较快频次增长速度的术语,反映该领域研究的动态变化,探究某一学科的发展和研究趋势[30]。通过根系构型研究的主要突现词图谱(表4)分析可以发现,根系构型研究有从基因方面入手,也有从不同品种植物方面入手。

表4 突现词分析图谱

由突现词持续时间来分析,伸长(elongation)、植物生长(plant growth)、玉米(maize)、干旱(drought) 较其他突现词拥有更长的持续时间,有较高的研究热度。而干旱(drought)和耐受性(tolerance)为目前研究热点词,是目前最新的研究前沿及热点领域。

从突现强度来分析(突现强度为软件根据KLEINBERG方法计算[31]),干旱(drought) 强度最大,为6.1,表明该方向为目前根系构型的重点研究领域,也是目前最具影响力的研究前沿。伸长(elongation)、根际(rhizosphere)、脱落酸(abscisic acid)也具有较高的突现强度,分别为5.66、5.67、5.63,也是根系构型的重要研究领域。

2.4 共被引共现网络分析

使用前期导入Citespace的文献数据,选择参考文献(Cited Reference)为节点类型,时间切片设置为1 a,文献选择标准为每个时区中被引频次排名前25的文献,基于共被引文献标题对聚类进行命名且经LLR算法标注,聚类分析后选用 “Timeline view”,得到共被引文献的时间线发展变化图谱(图5),其中包含节点270个,研究主题13个。

图5 共被引文献时间变化图谱

根据共被引文献时间变化图谱可从时间(表5)和研究方向(表6)进行分类,时间上可分为两部分:2006—2013年、2014—2020年,研究方向上可分为四部分:探测技术、环境影响、根系特性及自身调控。

表5 根据时间划分的聚类主题分布

表6 根据研究方向划分的聚类主题分布

本研究共被引文献从2006年开始出现,到2012年为第1个阶段,2013到2020年为第2个阶段。根据前文年发文量数据可知第2阶段发文量较第1阶段增加4.5倍,因此可得出,根系构型研究转折点位于2013年。第1阶段内也可分为两部分,#2软件平台、#3 X光线技术、#10基因型3个聚类有较长的持续时间,#2和#3在2006—2014年出现,#10从2007—2015年出现,而#4库器官、#6生理影响、#7侧根生长分析、#8小RNA、#9植物-水关系持续时间则较短,#4在2006—2009年出现,#6在2006—2010年出现,#7和#8在2006—2011年出现,#9在2006—2012年出现。第2阶段#0硝酸盐吸收和#5完整根系在2012—2017年出现,是第2阶段研究早期主要研究关注方向,#1根生长角、#11盐碱地、#12氮素利用效率3个聚类为当前2 a内根系构型研究主要研究方向,其中#1和#12在2012—2019年出现,#11在2014—2020年出现。

研究方向可分为4个:探测技术、环境影响、根系生长特性和自身调控。探测技术主要包含聚类#2软件平台和#3 X光线技术,目前根系构型研究所使用探测技术主要为软件模拟及X射线探测,该研究方向代表文献通过光学扫描根系构建3D模型,辅助根系构型研究,为根系探测开辟新手段[32]。环境影响主要包括聚类#0硝酸盐吸收、#9植物-水关系和#11盐碱地,植物生长需要根系从土壤环境中吸收养分及水分,硝态氮可诱导侧根的形成,在植物生长过程中具有重要作用,不同程度的水分亏缺对植物根系也具有不同的影响,而该研究方向的代表文献通过营造不同的养分亏缺环境,探究根系变化,为根系构型响应环境变化提供了理论基础[33]。根系生长特性主要包括聚类#1根生长角、#5完整根系、#7侧根生长分析,良好的根系构型可提高根系功能,促进籽粒灌浆,从而提高作物产量,代表文献详细介绍侧根的生长发育过程,提出侧根生长的新见解[34]。自身调控主要包括聚类#4库器官、#6生理影响、#8小RNA、#10基因型、#12氮利用效率,代表文献则介绍了一种根系可以适应土壤养分变化的理想株型应该具有的特性,为未来育种选择提供参考[35-36]。综上所述,当前根系构型研究方向不一,但最终目标都为寻找一种可适应环境的根系构型及如何使植物形成这样的根系构型,进而使植物具有更高的水分利用效率及养分利用效率。

3 结论

根系构型研究主要困难是无法直接观测根系在土壤中的生长动态及生理活性,因此根系构型的研究也随观测技术的发展而进步。本研究借助Citespace软件的网络信息可视化分析对根系构型研究领域主要研究国家及机构进行系统了解,并通过关键词分析明确当前根系构型研究热点及主要关键词联系;最后使用共被引文献聚类分析得出研究方向发展动态,以期为根系构型研究提供参考。

1)根系构型研究具有明显的阶段性,且研究内容及学科分布比较集中。2011—2013年、2014—2017年及2018—2020年为主要的3个研究阶段,分别占总发文量的15.27%、38.91%、45.82%。植物科学与农业是根系构型研究最主要的研究内容,占全部的87.12%。在这10 a中,根系构型中国发文量位居第一,占总发文量的28.69%,但中心度偏低,因此仍需加强国际交流合作。

2)关键词聚类可划分为3个领域:根系生理、根系结构与形态及植物类型。根据突现词分析,“干旱”为当前根系构型研究的主要方向,有较长的持续时间及较高的突现强度。而“干旱”和“耐受性”为持续到目前且具有较高突现强度的关键词,因此,环境通过影响根系构型进而影响植株,三者之间的平衡关系具有重要研究价值。

3)共被引文献聚类发展趋势表明,环境影响及根系生长特性为目前主要研究方向集合,包括根生长角度、盐碱地、氮素利用效率。根系构型前期研究较为多元化,主要集中于分子调控或植株自身调控根系构型,且有较多的关注于探测技术;而后期研究则主要集中在环境诱导根系构型产生不同程度的变异。

因此,鉴于目前研究多集中于根系本身或根系周围环境的影响,所以推断植株地上部响应根系构型变化以适应全球性气候变化可能会成为未来的研究热点。