基于文献计量分析的根系分泌物研究进展

王雨菡，陈莲，张培珍，李高聪，王振江,3，唐翠明,3，林森，罗国庆,3，钟建武，李智毅，王圆

（1广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所，广州 510610；2广东海洋大学电子与信息工程学院，广东湛江 524088；3农业农村部华南都市农业重点实验室，广州 510610）

0 引言

植物根系分泌物是植物生长过程中根系不同部位向根际环境中分泌或释放的各种有机化合物的总称[1]，是植物-土壤-微生物三者间进行物质迁移和能量交换的信号因子和重要组成部分[2]，是响应外界胁迫的重要途径，也是调控根际微生态系统的关键要素[3]。根系分泌物种类繁多，按分子量可分为低分子量和高分子量分泌物，其中低分子分泌物主要包括糖类、酚类、有机酸及各种氨基酸，高分子分泌物主要为多糖、高分子黏胶物质和胞外酶等[4]，其组分受物种差异、根际环境条件、营养状况、逆境胁迫以及根际微生物[5-7]等多种综合因子影响。根系分泌物作为根际的主要调控者，在植物生长发育、养分利用、塑造根际微生物群落结构、调控根际生态、降低重金属毒性、修复污染土壤及建立防御机制抵抗逆境胁迫中具有重要作用，因此，对根系分泌物的研究日益成为当今的研究热点。

文献计量学方法是利用数学与统计学方法，以文献体系和文献计量特征为研究对象，系统分析某领域发展现状及探究热点前沿的定量分析方法[8-9]。就根系分泌物研究而言，过去20年根系分泌物的前沿研究不断推进，学科交互日益深化，研究者对研究内容的侧重点各有不同，目前有关根系分泌物研究报道较多，但是对该领域研究主题的演进脉络梳理和未来前沿热点探测的论文较少。本研究以2002 年1 月—2022 年11 月Web of Science 核心文献数据库收录的根系分泌物相关文献为数据来源，通过文献计量方法对根系分泌物的研究成果进行量化分析，旨在清晰、直观地展示该研究领域的研究概况、热点趋势、主题演进以及研究合作关系等发展脉络信息，为根系分泌物研究前沿的挖掘及研究热点变化规律的总结提供一些新思路，并对未来研究的演进方向和演化路径进行展望。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

Web of Science(WoS)信息平台提供的科学引文索引(Science Citation Index Expanded，SCI-E)数据库收录了国际范围内各领域的高质量科技期刊，其收录的文献能够反映出科技前沿的发展态势[10-12]。因此，本研究以WoS 的SCI-E 核心合集数据库为数据来源，借助高级检索工具，以TS=("root exudates" OR "rhizosphere exudates" OR " root secretions" OR "root exudations")为检索式、2002-01-01 至2022-11-22 为出版日期范围进行检索，共检索到3190 篇文献，文献类型排除Proceeding Paper、Meeting Abstract 等，仅保留Article 和Review Article，最终获取文献3043 篇文献（其中2002—2021年文献2804篇，检索日期为2022年11月23日）。

1.2 研究方法

VOSviewer和CiteSpace是2个基于Java环境运行的文献信息可视化软件，功能强大且各有优势。如Vosviewer 通过节点间距离、大小、密度等差异构建并展示文献知识图谱，可应用于文献的标签视图和密度视图[13]，以冷暖色系表示各聚类的重要性高低[14]，使关键词密度图呈现效果更为明晰；CiteSpace的共被引视图展示了不同时期研究热点的演化进程，可以更直观地展示研究领域的演进规律与研究趋势[15]。本研究整合VOSviewer和CiteSpace软件的优势，对2002年1月—2022 年11 月根系分泌物领域3043 篇文献的发文量、发文国家、期刊分布、文献共被引和关键词等信息进行可视化分析，以洞悉根系分泌物领域的研究态势。

2 结果与分析

2.1 发文量

年发文量可以在一定程度上反映该领域的研究热度与发展程度，体现出该领域的研究水平与发展前景[16]。如图1 所示，2002 年1 月—2022 年11 月根系分泌物领域的发文总量达3043篇，年发文量与累计发文量均呈二次函数增长趋势。根系分泌物研究大致分为3个阶段：2002—2014年，该领域年发文量呈正负变化率交替发展，处于波动式缓慢增长阶段；2014—2019年，该领域日趋受到重视，年发文量稳定增长，处于稳定增长阶段；2019—2021 年，该领域年发文量增势凸显，处于快速增长阶段。2021 年发文量（308 篇）是2002年发文量（61篇）的5倍左右，表明该领域现已有较高研究热度，预期未来几年研究热度将持续增加，文献数量继续增长。

图1 2002—2022年年发文量和累计发文量变化趋势

2.2 高产发文国家合作关系

对根系分泌物领域的国家合作关系进行图谱可视化研究，有助于揭示根系分泌物领域的主要研究力量布局。借助VOSviewer将统计区间内根系分泌物领域发文量Top20 的国家间的合作数据以GML 格式导入Scimago Graphica进行可视化处理，如图2所示。节点大小表明国家发文量情况，节点越大，该国发文量越多，节点颜色越接近红色，国家间合作研究发文总量越多；连线表明国家间的合作关系，连线越粗，国家间合作次数越多。分析图2可知，中国、美国、德国、澳大利亚在根系分泌物领域的研究合作关系较密切，且发文量较多；其中，中美两国合作发文最多，位于该研究领域合作关系网络的核心位置，在根系分泌物领域的相关研究中起着支撑和引领的重要作用。

图2 2002—2022年根系分泌物领域发文量Top20国家合作网络图

2.3 发文机构

发文量是评估科研机构对该领域的研究能力的重要依据[17]，论文被引次数是衡量科研发文机构学术影响力的重要指标。如表1 所示，2002—2022 年根系分泌物领域发文量Top10 的科研机构合计发文780 篇，约占总发文量25.63%。在统计区间内，中国科学院发文量达243 篇，远高于列第2 位的南京农业大学（91篇）与第3 位的西班牙高等科研理事会（70 篇）。在发文量Top10 的研究机构中，来自中国的研究机构有6个，占60%，分别为中国科学院、南京农业大学、浙江大学、中国科学院大学、中国农业科学院和中国农业大学，表明中国的科研机构对根系分泌物领域的研究投入力度较大，关注程度较高。从被引次数来看，论文被引次数最多的前3 位分别为中国科学院（7853 次）、科罗拉多州立大学（7261次）和西澳大学（4164次），说明科罗拉多州立大学产出的高学术影响力的论文相对较多。总体而言，发文量列前10位的科研机构均为具有雄厚研究实力且科研水平较高的高校和研究院，但各科研机构发文量与被引次数差距较大。其中，中国科学院和科罗拉州立大学在根系分泌物领域研究能力及学术影响力较高，综合能力较强，为植物根系分泌物的相关研究做出突出贡献并在该领域占据重要地位。

表1 2002—2022年根系分泌物领域发文量Top10科研机构

2.4 期刊分布

统计分析刊载相关研究文献的期刊分布情况，有助于研究人员准确把握研究领域的核心期刊，为进行文献查阅和研究成果的发表提供重要参考[18-19]。在统计区间内，《Plant and Soil》和《Soil Biology &Biochemistry》发文量与被引次数位于前列，借助VOSviewer对统计区间内期刊平均发文年份与篇均被引次数进行可视化处理，如图3 所示。节点大小代表期刊载文量，节点越大表示期刊载文量越高；图3a 图例由冷调紫色系到暖调黄色系的变化表明平均发文年份由远及近，在图3b 则代表篇均被引次数的由小及大。分析图3 可知，《Science of the Total Environment》和《Frontiers in Plant Science》为根系分泌物领域平均发文年份距今较近的期刊，近几年对根系分泌物的相关研究较为关注；《New Phytologist》以平均88.04次的篇均被引次数位列第一且大幅领先，这是因为该期刊较早涉及该领域且在植物科学领域拥有较高的影响力，其高质量创新性研究文章使众多学者在进行根系分泌物相关研究时将其作为重要参考。

图3 2002—2022年根系分泌物领域发文量Top10期刊平均发文年份与篇均被引次数

2.5 研究热点及趋势分析

2.5.1 共被引文献分析文献共被引知识图谱能够揭示根系分泌物研究的聚类结构与热点主题演化趋势。运行CiteSpace 软件对统计区间内的文献数据进行可视化分析，得到包括687个节点和916条连线的文献共被引知识图谱，如图4（左）所示；基于LLR的算法并选择标题术语聚类命名对共被引文献进行主题聚类分析，如图4（右）所示。聚类分析图谱中模块聚类值Q=0.9031，聚类平均轮廓值S=0.968，表明其聚类结构显著(Q>0.3)且可信度高(S>0.7)。在文献共被引知识图谱中，节点表明分析对象（文献），节点大小表明该文献被引频次的高低，节点间连线表明共被引关系；节点内环分层的颜色宽度表明不同年份的被引频次；颜色由冷色调的紫色系到暖色调的黄色系的变化表明时间由远及近，连线颜色的含义与节点颜色含义相同[20]。共被引文献主题聚类图谱中每个实线边框都代表着根系分泌物研究的一个聚类主题，聚类标签(#)中的数字大小表示该聚类文献数量的多少，数字就越小对应文献数量越多，即#0为最大聚类。分析图4可知，生态系统(ecosystem)、细菌群落(bacterial community)、铁摄取(iron acquisition)和土壤微生物(soil microbiome)是最大的4 个聚类，它们体现了根系分泌物领域的主要研究热点主题。其中，生态系统(ecosystem)的聚类最大，表明根系分泌物与生态系统的相关研究是该领域的重点研究主题。不同生态系统的植物根系分泌能力存在巨大差异，同一生态系统中不同植物的根系分泌物既具有一致性又存在差异性。如表2 所示，森林生态系统中的油松、虎榛子根系分泌物的组分主要包括有机酸类、酯类和酚酸类，所占比例由大到小均为有机酸类＞酚酸类＞酯类，但每种组分所占比例存在一定差异[21]；农田生态系统中油菜和肥田萝卜根系分泌物的组分存在较大差异，有机酸种类各异[22]；草原生态系统的无芒隐子草与银灰旋花根系分泌物中均检测出棕榈酸、油酸和邻苯二甲酸3种有机酸，但仅银灰旋花检测出琥珀酸，而无芒隐子草未发现[23]；湿地生态系统的风车草和芦苇中均检出蔗糖、葡萄糖和草酸，而丙二酸、苹果酸仅在风车草中检出，乙酸、琥珀酸则在芦苇中检出[24]。

表2 不同生态系统类型常见植物根系分泌物组分

图4 2002—2022年根系分泌物研究文献共被引网络图谱

通过共被引聚类计算得出根系分泌物研究领域文献共被引聚类概况，在CiteSpace对聚类标签的不同提取算法中，基于LLR算法产生的聚类标签更符合实际研究情况，但基于LSI 算法生成个别的聚类标签也具有一定参考性，如表3所示。其中，平均年份的时间越晚表明该聚类越具有研究前沿性[25]。生态系统(ecosystem)、细菌群落(bacterial community)和植物适应性(plant fitness)等平均年份较晚的聚类为当前根系分泌物研究的热点主题，也可能是未来的主要发展方向。平均轮廓值取值越接近1，表明聚类的主题越明确，聚类文章内容越接近，说明研究者关注这个问题越集中[26]。 植物适应性(plant fitness)、生态系统(ecosystem)、箭筈豌豆(common vetch)的平均轮廓值分别是1.000、0.984、0.749，说明研究者对这些方向的关注较为集中。

表3 2002—2022年根系分泌物领域文献共被引聚类主题概况

某一研究领域的关键文献是该领域内具有基础性的重大突破，在整个文献群中发挥着重要作用，是研究主题的良好反映[27]。为进一步把握各聚类所反映的研究主题，以被引频次与突现值为筛选指标，识别出各聚类中的代表性关键文献[28]。选取前4项聚类主题代表性关键文献进行分析，这些信息反映了根系分泌物研究领域的基础知识结构与热点问题，前4 项聚类中关键文献信息如表4所示。

表4 2002—2022年根系分泌物领域前4聚类关键文献信息

#0聚类中，Canarini等[29]提出了基于以下2点的根系分泌物新框架：（1）根系分泌的初级代谢产物由扩散驱动，植物和微生物可以根据其营养状况通过改变浓度梯度来控制根系分泌的过程；（2）根尖初级代谢物浓度的变化被植物感知并转化为信号来改变根系结构。该框架的提出对生态系统功能的理解产生了重要影响。

#1 聚类中，Gargallo-Garriga 等[30]表明在根系分泌物的收集与分析方面的新进展使研究者更加关注植物根系分泌物对非生物胁迫的响应，并首次记录了不同干旱水平下冬青栎根系分泌物的变化，证明植物干旱胁迫后恢复期间的根系分泌物组分随干旱严重程度而变化，即使是可利用水分的微小变化也会对根系分泌物的组分产生长期影响，且植物存在一个胁迫阈值水平，超出阈值将无法恢复。

#2聚类中，Berendsen等[31]表示植物可以通过主动分泌特异性刺激或抑制微生物群落的化合物来确定根系微生物的组成。在病原体或昆虫攻击时，植物能够募集保护性微生物，并增强微生物活性以抑制根际病原体，例如以辣椒为食的蚜虫增加了有益于植物的枯草芽孢杆菌GB03 的根种群，减少了致病性青枯病菌的种群。文章强调了根系微生物对植物健康的重要性，为加强特性微生物对根系分泌物影响的研究奠定了基础，有助于后续特性微生物在农业中的深化研究与优化应用。

#3聚类中，Baetz等[32]表示根系分泌物中的防御化合物的成分分布多样且具有动态性。一般根系分泌物属于酚类和萜类化合物，具有较强的外部抗菌和抗真菌性质，且酚类代谢产物能有效招募特定土壤微生物，对土壤微生物群落产生有益影响。根际单个根分泌物或转运蛋白生物合成途径中单个基因的改变会影响土壤微生物的组成和活性，整合调控根系分泌物与根际微生物的相互作用对土壤生态系统具有重要意义。

2.5.2 关键词分析关键词是文献的核心和精髓，也是对文献主题的高度概括与集中描述[28]。通过VOSviewer 软件绘制2002—2022 年3043 篇文献的关键词共现密度图，设置共现次数大于25，得到图5。图5中冷色调的蓝色系到暖色调的红色系表示关键词共现的频次由低及高，即该关键词相关的研究热点热度越来越高；分析可知，根系分泌物领域的研究热点主要集中于基因(gene)、植物生长(plant growth)、有机酸(organic acid)、吸收(uptake)、碳(carbon)、胁迫(stress)、微生物群落(microbial community)等。

图5 2002—2022年根系分泌物领域关键词共现密度图

VOSviewer关键词共现密度图只能定性展现根系分泌物领域的研究热点，无法体现其时间变化规律，而通过Citespace软件的Brust 功能绘制关键词突现表则可以定量表示不同阶段根系分泌物领域研究热点的时间变迁规律，明确其发展态势[33]。由表5可知，2002—2022 年统计区间内的根系分泌物研究的演进过程主要可分为3个阶段。

表5 2002—2022年根系分泌物领域排名前30位关键词突现情况

（1）早期研究主要聚焦于根系分泌物信号传导交流与养分获取的基础研究。独脚金内酯(strigolactone，SL)作为调控植物根系生长与抑制分枝的新型植物激素，在根际通讯与优化植物生长发育中发挥着重要作用。磷是植物生长发育必需的营养元素，对作物产量及生态系统生产力至关重要。丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza，AM)共生体是能以最大限度使植株获得有效养分磷的策略。AM 真菌大多侵染植物根系根皮层，并形成根外菌丝，这种菌丝网络可用于从土壤中获取低流动性的营养物质，尤其是磷[34]。根寄生植物和AM 真菌都利用植物根系释放的SL 作为信号分子与寄主植物进行初始互作，分别启动寄生和互利共生[35-36]。植物受环境变化调控SL 的生成，缺乏营养的植物通常会产生更多SL以减少地上部过度分枝，调控根系构型并促进AM 真菌对根系的侵染，有利于有效养分的充分利用[37-38]。如万寿菊和小麦在缺磷和缺氮条件下均增加了SL的分泌，且缺磷条件下生长的植株SL分泌水平高于缺氮条件下生长的植株[39]；缺磷条件下的水稻根系分泌物中的SL显著增加，降低分蘖芽的生长[40-41]。根系分泌物领域早期对SL和AM真菌的信号传递与养分获取研究，为其后期环境胁迫抗性反应及其他生物学功能的深入研究奠定了基础，在植物保护具有广泛的应用前景。

（2）根系分泌物中期研究主要围绕化感作用(allelopathy)和植物修复(phytoremediation)进行。化感作用是指植物通过茎叶挥发、雨雾淋溶、根系分泌、残根分解等途径释放化学物质于环境中而产生的对自身及周围植物的直接或间接作用，包括相同植物之间的自毒作用以及不同植物的相互促进、克生抑制等，是生态系统中植物的自然化学调控现象和植物适应环境的一种生态机制[42-43]。化感物质是化感作用的媒介，影响植物体内细胞分裂、某些激素和蛋白质合成、矿物质跨膜吸收和转运、膜透性、光合作用、呼吸作用及蛋白质分解等生理生化过程，如Mersie 等[44-46]研究发现部分酚类化合物（香草酸、阿魏酸等）抑制苘麻的蛋白质合成及光合作用。酚类化合物在环境胁迫下化感活性较强，是研究最多的一类化感物质[47]。研究表明，芦笋生长受芦笋根残留物抑制，其根茎提取物的酚酸类物质对香豆酸抑制芦笋幼苗生长，可能为芦笋的自毒物质[48]；从芸薹属植物叶片组织中提取的异硫氰酸烯丙酯可以有效控制马铃薯干腐病（接骨木镰孢）[49]；桑叶水提取物的施用抑制了狗牙根的发芽及早期幼苗生长，在小麦出苗前施用降低小麦发芽率，出苗后施用则显著促进小麦生长[50]；芥菜的腐烂物质在自然界中具有水溶性和极强的化感作用，降低了杂草种子萌发[46]。化感作用在研究适宜的耕作制度、控制杂草、病虫害、缓解连作障碍等方面具有重要作用。化感物质可以作为环境友好型除草剂和植物生长调节剂，对发展可持续农业具有重要意义。

植物修复作为一种经济有效、环境友好的利用植被治理地下污染的技术，可广泛应用于矿山恢复、改良治理重金属污染土壤等，根系分泌物在植物修复中发挥着至关重要的作用[51-52]。根系分泌物可以改变重金属的化学形态，进而增加或减少其生物有效态含量[53]，如东南景天根际释放的溶解性有机质(DOM)可通过形成可溶性DOM-金属络合物显著降低Cd和Zn的吸附并增强其移动性[54]。柠檬酸具有很强的配位能力,与Cd2+结合后使之不带电荷，降低游离Cd2+浓度，有效减少植物吸收和由此造成的毒性伤害[55]。根系分泌物中的低分子量有机酸，如柠檬酸、羧酸、氨基酸和酚酸，可通过降低土壤pH、改变土壤氧化还原电位和与重金属络合促进土壤中重金属的活化，从而影响植物对重金属的生物利用度和吸收[56]。

（3）根系分泌物领域近期研究热点主要转向胁迫(stress)、植物- 微生物相互作用(plant- microbe interaction)。根系分泌物释放于土壤中影响土壤的理化性质及生物学性质，且为微生物群落提供了大量的营养物质和能量[57]。根系分泌物选择性塑造了根际微生物种群的组成和结构，是造成根际微生物群落间存在差异的主要原因[58]。根际微生物对植物的影响通常分为正反馈和负反馈，根际微生物的正反馈作用可通过有益微生物与植物根系共生、控制病原体、分泌次级代谢产物和提高抗胁迫能力等多种机制增强植物抵抗逆境胁迫能力与植物对营养元素的吸收，支持植物健康生长。如根际有益真菌网络保护植物免受多种病原菌的侵害，从而作为潜在的生物防治剂[59-60]；洋葱伯克霍尔德菌菌株通过产生铁载体刺激玉米在缺铁条件下的生长，并对镰刀菌属的细菌有生物防治功能[61]；接种热氏假单胞菌或荧光假单胞菌能显著促进向日葵叶片光合作用，并增加根长、株高和干重，从而降低铅胁迫毒害程度[62-63]。负反馈作用抑制植物的生长，从而阻止种群内优势种的出现，对维持植物群落的稳定性和物种多样性、促进物种共存发挥着重要作用[64]。根际微生物的应用不仅改善土壤环境，还促进宿主植物生长和抗病抗胁迫，构建良好的土壤-植物-微生物网络生态平衡。

结合突现关键词与文献共被引综合分析，整体而言，根系分泌物研究领域随时间演变不断涌现新的突变词汇，且与根际微生物相关的突现词和聚类主题贯穿于整个统计区间，表明该领域的研究在不断向前推进，根系分泌物与根际微生物的研究是经久不衰的研究主题，新的研究对象与内容不断出现引起越来越多研究者的关注。随着高通量测序技术、微流体技术和组学技术等分子生物学技术及人工智能现代技术的不断发展，植物根系分泌物与根际微生物的研究正在步入全新阶段。预期在分子水平上揭示植物与根际微生物的互作机制、根系分泌物与根际微生物在植物生长过程中的调控功能及分子机制、解析植物驱动微生物群落组装的因素等更为细化的微观研究将会成为未来一段时间根系分泌物研究的新兴重点。不同生态系统类型植物根系分泌物的组成及数量差异较大，根际微生物的群落组成也存在较大差别，未来可深入探索根系分泌物与根际微生物在不同生态系统的生态功能，以更全面了解根系分泌物与根际微生物在各生态系统的作用机理。

3 结论与展望

笔者借助VOSviewer 和CiteSpace 科学知识图谱可视化工具对2002—2022 年3043 篇根系分泌物相关文献进行分析，探索该领域演进路径与发展脉络，得出以下结论：（1）根系分泌物研究的发文量总体呈上升趋势，前期基础研究阶段发文量呈波动式缓慢增长，随着根系分泌物研究理论与收集方法的不断创新，2019年后该领域发文量呈快速增长趋势，发展迅速。（2）从国家间合作和发文科研机构来看，中美两国合作发文最多，中国科学院和科罗拉州立大学的综合研究能力较强，在该领域的研究中起到了支撑引领作用。但根系分泌物作为多学科交叉研究领域，应深化国家间研究机构的合作关系，协调相关资源统筹发展。（3）不同时期根系分泌物研究内容的侧重点不同，基于文献共被引和关键词分析，发现根系分泌物热点研究内容由早及近表现为信号传导交流—养分获取—化感作用—植物修复—植物与根际微生物互作。在微观水平上揭示植物与根际微生物的互作机制、根系分泌物与根际微生物在植物生长发育过程中的调控功能及分子机制将成为未来新兴研究热点。

本研究选用Web of Science 核心数据库为文献数据来源，基于VOSviewer 对发文国家、期刊分布、关键词密度进行可视化分析，通过CiteSpace软件LLR算法以标题术语命名文献共被引聚类主题，并借助其Brust功能生成关键词突现表对研究热点演化历程进行梳理。未来研究可选用不同文献数据库为数据来源，基于不同软件、不同算法的其他聚类主题命名方式进行综合分析，以期更全面掌握根系分泌物领域的研究态势，为未来相关研究提供更多参考与建议。