陳 瑩，吳繁琦，耿業(yè)業(yè)，白 鈺，王桂榮，楊慧婕，孫志蓉

（北京中醫(yī)藥大學中藥學院，北京 102488）

0 引言

豆科Leguminosaesp.屬于雙子葉植物綱、薔薇目支，是被子植物中第三大科[1]，其植物資源豐富，在全球約有650屬近18000種，貢獻了全球約27%的作物產(chǎn)量，在中國廣泛分布，約有172屬1480種[2]。豆科植物在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)具有重要的應用價值，常見的經(jīng)濟類豆科作物有大豆、花生等，重要的牧草有苜蓿、紫云英等，藥用豆科植物有甘草、黃芪等及優(yōu)良的行道觀賞樹紅豆、紫荊、合歡等。此外，豆科植物具有較強的抗逆性和改良土壤作用，在園林綠化、防風固沙等方面發(fā)揮著重要的作用[3]。豆科植物中存在“豆科-根瘤菌”共生固氮體系，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輸出固氮產(chǎn)物[4-5]。根瘤菌與豆科植物共生可以促進大豆、豌豆等作物生長，還具有改良土壤結構、提高土壤酶活性等作用，有助于減少化肥施用，改善生態(tài)環(huán)境[6-8]。豆科植物根瘤固氮的相關研究涉及生物學、農(nóng)學、園林、中藥學等領域，目前仍在不斷探索深入研究中，了解根瘤固氮對豆科植物影響的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，對于豆科植物種植的生態(tài)化發(fā)展及提質增效具有重要的意義。

文獻計量學是應用數(shù)學、統(tǒng)計學等計量方法研究文獻和文獻工作系統(tǒng)的數(shù)量關系和規(guī)律的學科[9]，CiteSpace軟件可以分析各領域文獻的信息，并可視化展現(xiàn)文獻的研究熱點和趨勢，已在植物功能性狀、重金屬土壤修復、土壤微生物、新型冠狀肺炎等研究領域應用[10-13]。本研究運用文獻計量學方法，應用CiteSpace 5.5.R2軟件對中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science核心集(WOS)中截至2020年1月31日發(fā)表的豆科植物根瘤固氮相關文獻的期刊、作者、機構等信息進行整理和可視化分析，展示國內(nèi)外對豆科植物根瘤固氮相關研究的進展，分析當前豆科植物根瘤固氮研究的熱點及未來發(fā)展趨勢，為豆科植物根瘤固氮的研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

中文數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫，檢索時間為建庫至2020年1月31日，以“根瘤固氮”為主題詞。英文數(shù)據(jù)來源于Web of Science核心合集（以下簡稱WOS），檢索時間為建庫至2020年1月31日，檢索主題為“nodulation and nitrogen fixation”，設置期刊類型為“Article或Review”。數(shù)據(jù)納入標準為根瘤固氮對豆科植物影響的相關文獻，包括根瘤菌的篩選及培養(yǎng)，豆科植物的氮元素分配等相關內(nèi)容的文獻。

在CNKI檢索得到相關期刊文獻4788篇，篩選得有效中文文獻3015篇；在WOS檢索得到相關期刊文獻2011篇，篩選有效英文文獻1871篇（有效文獻的篩選為除去信息不全、重復的文獻，以及通過文獻內(nèi)容篩選與豆科植物根瘤固氮研究不相關的文獻），最終共得到根瘤固氮對豆科植物影響研究相關中英文文獻4886篇。

1.2 統(tǒng)計分析

利用Excel 2019統(tǒng)計相關文獻信息，應用CiteSpace 5.5.R2軟件分析數(shù)據(jù)，分別對發(fā)表時間、期刊來源、研究機構、關鍵詞等信息進行定量或可視化分析。運用CiteSpace 5.5.R2軟件，以Institution和Keyword作為文獻節(jié)點，分別對CNKI和WOS納入的4886篇文獻的研究機構和關鍵詞進行共現(xiàn)分析，并繪制期刊共現(xiàn)圖譜、關鍵詞時區(qū)圖譜等。

2 結果與分析

2.1 文獻計量分析

2.1.1 文獻時間分布 CNKI和WOS數(shù)據(jù)庫中根瘤固氮對豆科植物影響的相關文獻年度發(fā)表時間分布見圖1，由年度總發(fā)文量可知，1953—1978年平均每年發(fā)表2篇文獻，從1979年開始，發(fā)文量波動上升，至2019年相關研究最多，年發(fā)文量達253篇。WOS中豆科植物根瘤固氮研究的相關英文文獻自2004年開始出現(xiàn)，平均每年發(fā)表115篇；CNKI在1953年開始出現(xiàn)相關中文文獻，并分別在1982—1996年和2006—2019年形成了2個研究高峰，平均每年發(fā)表77篇。總體上，國內(nèi)外對豆科植物根瘤固氮的相關研究文獻發(fā)表量呈增加趨勢。

2.1.2 期刊來源分析 CNKI和WOS 2個數(shù)據(jù)庫中共940種期刊發(fā)表了根瘤固氮對豆科植物影響研究的文獻，載文量排名前10位的期刊見表1，分別累計發(fā)文610和437篇，共占總文獻量的21.43%。CNKI發(fā)表文獻數(shù)量前10名的期刊中，《大豆科學》發(fā)表文獻數(shù)量最多為120篇，其次是《微生物學通報》、《土壤肥料》、《微生物學報》、《微生物學雜志》。WOS中排名前10的期刊主要涉及微生物學、土壤學、植物學等領域，其中以《PLANT AND SOIL》發(fā)文量最多為79篇，其次是《SYMBIOSIS》、《MOLECULAR PLANT-MICROBE INTERACTIONS》和《JOURNAL OF PLANT NUTRITION》。

2.1.3 研究機構與國家分析 CNKI和WOS分別有227和290所研究機構參與發(fā)表根瘤固氮對豆科植物影響研究相關文獻，CNKI和WOS發(fā)文量排名前10的機構見表2。CNKI中發(fā)文量排名前10的機構主要為農(nóng)林類高等院校及科研院所，相關中文發(fā)文量最多的機構為中國農(nóng)科院土肥所，主要方向是根瘤菌的篩選和其在田間應用試驗，及根瘤菌在農(nóng)林牧方面的作用和開發(fā)研究；其次為中國科學院上海植物生理研究所，主要方向是根瘤菌的分子機制研究；福建省亞熱帶植物研究所，主要方向是豆科植物的結瘤固氮研究，研究植物有南洋楹、銀合歡、四棱豆等。英文發(fā)文量排名前3的機構分別為INRA（法國農(nóng)業(yè)科學研究院）、Embrapa Soja（巴西農(nóng)業(yè)研究公司大豆研究部門）和Chinese Acad Sci（中國科學院）。

表2 根瘤固氮相關文獻發(fā)文量排名前10的機構

續(xù)表2

對中文相關文獻的研究機構合作進行可視化分析（圖2），節(jié)點越大表示出現(xiàn)頻次越多，連接的線條表示存在合作關系。由圖2可知，中國農(nóng)科院土肥所、中國科學院上海植物生理研究所、福建省亞熱帶植物研究所3所機構分別形成3個節(jié)點；其次為華中農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)微生物學國家重點實驗室形成1個節(jié)點，在2002—2019年間主要是對根瘤菌基因的共生固氮功能研究。東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院、東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院、中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所相互形成合作連線，主要研究方向為大豆根瘤固氮的影響因素、大豆氮素吸收及利用等。相關英文文獻的研究機構可視化分析顯示研究機構共形成有293個節(jié)點，相互之間形成了345條連接線（圖3），法國農(nóng)業(yè)科學研究院INRA、巴西的Embrapa Soja和中國科學院Chinese Acad Sci分別形成3個節(jié)點，以上3個國家的機構均與其他國家的機構存在合作關系。

圖2 中文文獻研究機構合作網(wǎng)絡圖譜

圖3 英文文獻研究機構合作網(wǎng)絡圖譜

全球共有64個國家參與了根瘤固氮對豆科植物影響的相關研究，發(fā)文量排名前10的國家見圖4，發(fā)文量排名前3的國家分別為美國（329篇），中國（194篇）和巴西（188篇）。對英文文獻各國之間的合作關系進行可視化分析（圖5）,共有65個節(jié)點，相互之間形成了385條連接線。此外，美國（中心性0.25）、德國（中心性0.25）、法國（中心性0.15）、日本（中心性0.14）、澳大利亞（中心性0.11）和西班牙（中心性0.1）6個國家的中心性均大于0.1，代表聚類中的核心領域，是連接不同領域的關鍵樞紐。

圖4 英文文獻發(fā)文量前10的國家

圖5 英文文獻研究國家合作網(wǎng)絡圖譜

2.1.4 關鍵詞分析 中文文獻排名前10的關鍵詞分別為根瘤菌、固氮菌、根瘤細菌、大豆、根瘤、結瘤、生物固氮、豆科植物、共生固氮和固氮。對中文關鍵詞進行時區(qū)圖分析（圖6），結果表明國內(nèi)對豆科植物根瘤固氮相關研究可分為4個階段，表現(xiàn)為1953—1962年的研究初始階段，主要對根瘤菌進行研究；第2階段是從1962年開始，主要研究根瘤固氮對作物的增產(chǎn)效益；第3階段是從1965年開始，主要研究豆科綠肥和根瘤菌微肥的應用；第4階段是從1977年開始，逐漸深入到根瘤固氮對豆科植物抗逆性影響、根瘤菌基因與遺傳多樣性、固氮活性和共生固氮等機制方面的研究。

圖6 中文文獻關鍵詞時區(qū)圖譜

英文文獻排名前10的關鍵詞為nodulation（結瘤）、nitrogen fixation（固氮）、legume（豆類）、growth（生長）、symbiosis（共生）、rhizobium（根瘤菌）、rhizobia（根瘤菌）、N-2 fixation（氮固定）、Soil（土壤）和plant（植物）。對英文文獻的關鍵詞進行共現(xiàn)和聚類分析，得到時間線視圖（圖7），聚類分析得到12個較大規(guī)模聚類，共有200個節(jié)點、286條連線，網(wǎng)絡密度為0.0144，Modularity Q值為0.7465，Silhouette值為0.8418，表明形成的聚類結構顯著，置信度高且合理。聚類數(shù)字越小，代表聚類文獻數(shù)量越多，即代表該聚類領域越重要。圖7中聚類#0 genome（基因組）文獻量最多，說明英文文獻中關于根瘤固氮的分子機制研究較多，此外，#1 plant growth（植物生長）聚類領域和#2 common bean（菜豆）聚類領域的研究文獻也相對較多。

圖7 英文文獻關鍵詞時間線圖譜

2.1.5 研究主題分析 CNKI中根瘤固氮對豆科植物影響研究的主題可分為10類（圖8）。第1類是根瘤菌對豆科植物生長及品質的影響，包括根瘤固氮促進植物生長、提高作物產(chǎn)量、對植物代謝成分含量和植物抗逆性的影響等。第2類為影響豆科植物根瘤固氮的因素研究，包括外界環(huán)境（溫度、光照等）、栽培方式（間作、輪作等）、營養(yǎng)物質（磷肥、氮肥等）等因素。第3類為根瘤固氮的形成及調(diào)控機制研究，主要為豆科植物和根瘤菌的相關調(diào)控基因、mRNA等分子的作用及植物的免疫調(diào)節(jié)反應等。第4類和第5類涉及豆科植物自身的氮素利用及其栽培調(diào)控與應用方面的研究。第6、7、8類主要研究對象為根瘤菌，包括調(diào)查根瘤菌在土壤或豆科植物中的資源分布和多樣性、根瘤菌株的分離和培養(yǎng)、科屬鑒定以及高效菌株篩選等。

圖8 中文文獻主題分類

WOS中根瘤固氮對豆科植物影響研究的主題可分為7類（圖9），按研究主題出現(xiàn)頻次排名前5由高到低依次為豆科植物根瘤固氮的形成及調(diào)控機制（685篇），影響豆科植物根瘤固氮的因素（479篇），根瘤菌對豆科植物生長及品質的影響（305篇），根瘤菌株的分離、培養(yǎng)及鑒定和資源分布（199篇），根瘤菌株的篩選及促生效應（84篇）。相對于中文文獻，英文文獻更關注根瘤固氮相關的分子和基因等內(nèi)在因素研究，闡述根瘤固氮的形成及調(diào)控機制。

圖9 英文文獻主題分類

2.2 根瘤固氮對豆科植物的主要影響

國內(nèi)外研究表明根瘤固氮對豆科植物的主要影響體現(xiàn)在對豆科植物生長及產(chǎn)量、化學成分和抗逆性的影響三個方面。

2.2.1 根瘤固氮對豆科植物生長及產(chǎn)量的影響 已有研究表明通過接種根瘤菌促進根瘤固氮作用可以影響豌豆、大豆等豆科植物生長[7,14]。郭麗梅等[15]發(fā)現(xiàn)豌豆接種根瘤菌后可以延長其生育期，促進后期植株的生長；孟慶英等[16]研究表明，根瘤菌的施用增加了大豆的株高、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)和單株粒數(shù)，與對照相比增產(chǎn)19.44%。進一步對根瘤固氮影響豆科植物生長的機制研究表明，接種根瘤菌可以促進豆科植物對氮元素及其他營養(yǎng)元素的吸收，Zhang[17]研究發(fā)現(xiàn)接種根瘤菌比不接種根瘤菌的大豆根系獲取N素的能力更高，鄭虎哲等[18]研究表明接種根瘤菌可以顯著提高紫花苜蓿利用土壤中N和P的能力，進而提高其產(chǎn)量和質量。此外，接種根瘤菌可以影響豆科植物的光合作用，Rafaela等[19]研究表明接種根瘤菌對大豆共生固氮和光合作用有促進作用；鄭浩宇等[20]對大豆植株進行定量減氮處理的研究結果表明接種根瘤菌并適量減少氮肥的施用可以增加大豆的光合作用與干物質積累，提示適當?shù)臏p施氮肥可以達到大豆高效、高產(chǎn)的生產(chǎn)目的。綜上，接種根瘤菌可以通過根瘤固氮作用直接影響豆科植物地下根系對氮營養(yǎng)等的吸收，間接影響地上部的光合作用，從而影響豆科植物的生長和總生物量的積累。

2.2.2 根瘤固氮對豆科植物化學成分的影響 研究表明根瘤固氮可以在一定程度上提高或影響豆科植物中化學成分的含量。王英等[21]研究發(fā)現(xiàn)，增施磷、鉀和接種根瘤菌可提高大豆產(chǎn)量和油分含量。李姣姣等[22]研究發(fā)現(xiàn)大豆在結瘤條件下，施磷明顯增加了其成熟期根系蘋果酸的濃度，并顯著促進高磷條件下大豆根系蘋果酸的分泌速率。對豆科藥用植物的研究表明接種根瘤菌可在一定程度上影響藥用植物有效成分的含量，唐美瓊等[23]通過回接試驗發(fā)現(xiàn)，接種根瘤菌明顯促進山豆根根瘤的形成，提高其苦參堿、氧化苦參堿的含量；黃榮韶等[24]對盆栽雞骨草研究顯示接種根瘤菌能促進其植株生長和分枝，提高雞骨草中相思子堿的含量。

2.2.3 根瘤固氮對豆科植物抗逆性的影響 已有研究表明，接種根瘤菌可以在一定程度上提高豆科植物對干旱、鹽脅迫等逆境的適應，尤其是苜蓿等豆科牧草或豆科綠肥植物[25-27]。根瘤菌與豆科植物的共生體系耐旱能力更強，沙樺欣等[25]研究顯示在不同PEG人工模擬干旱條件下，與根瘤菌共生結瘤的臺灣相思幼苗比未接種根瘤菌沒有結瘤的臺灣相思幼苗表現(xiàn)出更強的耐旱能力，張攀等[26]研究發(fā)現(xiàn)與根瘤菌共生的紫花苜蓿具有更強的滲透調(diào)節(jié)能力和活性氧防御能力。接種根瘤菌還可以影響豆科植物的耐鹽脅迫的能力，祁娟等[27]研究表明，根瘤菌與苜蓿共生通過根瘤固氮作用影響植株的生長和生理應答特性從而提高苜蓿植株的抗鹽脅迫能力。接種根瘤菌可以提高豆科植物對污染土壤的適應能力，孫向輝等[28]研究表明，在多氯聯(lián)苯(PCBs)污染土壤中對紫花苜蓿接種根瘤菌可顯著增加其體內(nèi)過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性，從而提高紫花苜蓿對PCBs的抗逆性。此外，根瘤菌還能分泌植物激素（如IAA）和特異性酶[29]、增強土壤肥力[30]、改變土壤理化性質等，從而間接對豆科植物的生長產(chǎn)生影響。

3 討論與結論

本研究首次應用文獻計量學的方法對CNKI和WOS中截至2020年1月31日根瘤固氮對豆科植物影響的相關研究文獻的發(fā)表時間、期刊來源、研究機構等信息進行分析，結果顯示全球共64個國家、517所研究機構參與了豆科植物根瘤固氮的相關研究，中文文獻以中國農(nóng)科院土肥所、中國科學院上海植物生理研究所、福建省亞熱帶植物研究所3個機構的發(fā)文量較多，英文文獻以INRA（法國農(nóng)業(yè)科學研究院）、Embrapa Soja（巴西農(nóng)業(yè)研究公司大豆研究部門）、Chinese Acad Sci（中國科學院）發(fā)文量較多，全球范圍內(nèi)美國、中國、巴西為主要貢獻國家，主要涉及微生物學、土壤學、植物學等領域，主要期刊有《大豆科學》、《PLANT AND SOIL》、《土 壤 肥 料》、《微 生 物 學 報》、《SYMBIOSIS》等，相關中文文獻年發(fā)表量分別在1982-1996年和2002-2019年形成了2個高峰。國內(nèi)相關文獻從前期根瘤菌對豆科植物增產(chǎn)效益的應用性研究，逐漸深入到根瘤固氮作用效果及發(fā)生機制的內(nèi)在機理探索的研究，在2000年之后，研究熱點集中在根瘤固氮對豆科植物抗逆性影響、根瘤菌基因與遺傳多樣性等方面，本研究與吳文彥等對Web of Science中國內(nèi)外對根瘤菌研究的動態(tài)發(fā)展分析結果一致，均顯示中國在根瘤菌、根瘤固氮領域的研究貢獻率較大[31]。目前，中文文獻對豆科植物根瘤固氮相關影響因素的研究較多，英文文獻著重于對豆科植物根瘤固氮發(fā)生及調(diào)控機制方面的研究，進一步對大豆與根瘤菌共生關系的研究揭示二者共進化過程中菌對根毛侵染方式的遺傳機制，為根瘤菌與豆科植物之間基因與遺傳研究提供新思路[32-33]，可見國內(nèi)外在根瘤固氮對豆科植物影響的分子機制研究還在不斷深入。根瘤固氮對豆科植物影響的研究表明接種根瘤菌可通過根瘤固氮作用對山豆根、雞骨草、甘草等豆科藥用植物生長產(chǎn)生影響，如施用根瘤菌接種劑的甘草單株結瘤數(shù)量比對照高，其種苗的株高、蘆頭粗度、地下部分干重和總干重均比對照顯著提高，從而提高甘草的生物量[34-35]。總體上，大豆、紫花苜蓿等農(nóng)業(yè)類經(jīng)濟作物的根瘤固氮研究較藥用豆科植物多，說明藥用豆科植物在根瘤固氮方面的研究還需要進一步加強。

本文應用文獻計量學方法對豆科植物根瘤固氮研究性文獻發(fā)表的規(guī)律，進行數(shù)理統(tǒng)計等定量的分析，客觀評價不同國家、機構等在該領域的研究現(xiàn)狀和研究歷程，并結合CiteSpace軟件對所涉及科學領域及突現(xiàn)詞等研究熱點進行可視化分析，可以更系統(tǒng)和客觀地展示根瘤固氮對豆科植物影響研究在國內(nèi)外演變、現(xiàn)狀及趨勢，為豆科植物研究工作者提供參考。但本研究數(shù)據(jù)未能涵蓋其他數(shù)據(jù)庫如萬方、PubMed等的相關文獻的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源存在局限性，同時由于檢索時間的限制，而文獻數(shù)據(jù)庫仍在不斷更新，不能全面反應實時的研究進展。但本文應用CNKI和WOS分別代表中文和英文文獻的數(shù)據(jù)庫，在一定程度上，可以客觀反映豆科植物根瘤固氮領域研究的發(fā)展進程和趨勢?？傮w上，國內(nèi)外對豆科植物根瘤固氮的研究發(fā)文量呈上升趨勢，并形成了相對穩(wěn)定的研究群體，中國在該領域的研究占有重要地位。豆科植物根瘤固氮研究從根瘤固氮對豆科植物生長、理化性質的影響到根瘤固氮影響因素再到根瘤固氮形成及調(diào)控機制探索，呈現(xiàn)出從表觀現(xiàn)象到內(nèi)在本質機理的動態(tài)研究過程。目前根瘤固氮對豆科植物影響的研究還在不斷深入，有關根瘤固氮發(fā)生及調(diào)控機制、根瘤菌基因與遺傳多樣性方面的研究是當前的研究熱點和未來可能的發(fā)展方向。