基于文獻計量：木薯近年研究熱點和趨勢分析

黃武 胡新文 毛帥

摘? 要? 為了探究熱帶作物木薯的研究熱點和趨勢，本文對近年來木薯研究成果進行了分析，數據檢索時間是1999—2017年，各項數據分析和可視化分析的時間范圍是2009—2017年。基于Web of Science數據庫，利用網頁檢索功能分析了木薯研究的年發文量、基金資助機構及國家地區分布、研究方向及研究機構狀況;利用CiteSpace對 2009—2017年木薯研究關鍵詞進行共現性和可視化圖譜聚類分析。中國地區發文量、基金資助分布及研究機構排名位于前列;農業研究、食品科學技術領域占比較大;以3 a為時間軸對數據的關鍵詞聚類分析，繪制可視化信息圖譜并分析聚類下的信息，得出木薯研究的趨勢和熱點問題。木薯淀粉-殼聚糖、燃料乙醇研究引發新的研究熱點。從發文量來看，中國在木薯研究科研投入和成果數量產出方面都位居前列;分子育種成為品質改良的重要手段，木薯病毒、燃料乙醇、光暗發酵制氫、甲烷和單細胞油脂生產、延緩塊根變質、耐受性基因選擇持續成為關注熱點;最近3 a，木薯淀粉在新型材料加工方面有了新的應用，在可再生能源方面出現了新的研究領域。

關鍵詞? 木薯;文獻計量;Web of Science（WoS）;研究熱點;CiteSpace中圖分類號? S31 ?????文獻標識碼? A

木薯（Manihot esculentaCrantz）是熱帶經濟作物，原產南美洲亞馬孫河流域，在我國已有近 200 a的栽培歷史，主要在華南地區種植^[1]。近10年世界范圍內的木薯研究蓬勃發展，我國木薯產業體系逐漸壯大。文獻計量可以從多方面系統地分析木薯研究在世界范圍類的熱點和趨勢，參考了已有的計量方法進行分析^[2-4]。齊蘭等^[5]研究構建木薯DNA指紋圖譜;方佳等^[6]研究木薯國內外產業發展;李開綿等^[7]概述了我國的木薯優勢區域;郝靜等^[8]研究了木薯渣的飼用價值;黃潔等^[9]分析了中國木薯產業化發展對策。有關木薯研究系統分析的發表目前不多見，本文借助CiteSpace文獻計量軟件及Web of Science的網頁檢索功能，對木薯相關文獻進行可視化分析和其他表征分析，利用數據庫分析機構和國家^[10]等信息。常用的文獻可視化分析系統有CiteSpace、Timeriver、Temporal Graph Visualization、VxInsight等^[11]，其中CiteSpace具有多元、分時、動態的引文分析可視化技術，標識圖譜上的引文節點文獻和共引聚類所呈現的研究前沿^[12]。本研究追蹤了木薯研究的熱點與趨勢，為該領域研究提供參考。

1? 數據來源與統計方法

1.1 數據來源

本文分析數據來自Web of Science（WoS）的核心合集中的SCIE數據庫，以“TS=（cassava OR Maninot esculenta Crantz）”為檢索式^[13]，檢索1999年1月1日—2017年9月5日的所有文獻，共計7 451篇。

1.2 統計方法

鑒于計量軟件的數據量要求原因，本文只做了2009—2017年的可視化分析和其他各項數據分析，將數據導入CiteSpace軟件，在關鍵詞共現分析之前對關鍵詞進行聚類，使用LLR算法提取研究前沿術語，再對聚類詞進行Timeline分析，根據生成的圖譜和共被引關鍵詞的中心性，將時間劃分成3個階段，分別是2009—2011、2012—2014和2015—2017年。時間節點（Years Per Slice）設為1年，術語來源（Term Source）勾選為標題（Title）、摘要（Abstract）、著者（DE）、關鍵字（ID），閾值設置為top=30。詞類型（Term Type）、節點類型（Node Types）、連線（Links）、閾值調諧（Thresholding）、算法分析（Pruning）、可視化視圖（Visualization）^[14]等進行相應的勾選，得到關鍵詞的頻次并生成木薯研究可視化圖譜和聚類熱詞。其他的表格和圖的數據均來自于Web of Science分析檢索結果。

2 ?結果與分析

2.1 木薯研究文獻發表年份分布

如圖1所示，統計了1999—2017年木薯相關研究的成果，從1999年的170篇發展到2017年的784篇，中間部分年份有較小起伏，整體一直是上升趨勢。

2.2 木薯研究基金資助機構分析

發文量反映了基金資助機構出現的頻率，對2009—2017年木薯研究基金資助機構統計表明（圖2），位于前3位的分別是巴西國家科學技術發展委員會（Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico，CNPQ）、中國國家自然科學基金（National Natural Science Foundation of China，NNSFC）、巴西高級人員進修機構（Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior，CAPES），其次是比爾和梅琳

達·蓋茨基金會（Bill Melinda Gates Foundation，BMGF）、泰國研究基金（Thailand Research Fund，TRF）、圣保羅研究基金會（FAPESP）、中央大學基礎研究基金（Fundamental Research Funds for the Central Universities，FRFFTCU）、孟山都基金會（Monsanto Fund，MF）、國際農業發展合作中心（CIRAD）、洛克菲勒基金會（Rockefeller Foundation，RF）等。從發表的文獻所關聯的基金資助機構來看，巴西國家科學技術發展委員會位列第一，中國國家自然科學基金緊隨其后。

2.3? 木薯研究文獻的國家分布分析

從木薯研究文獻的國家地區分布來看，占比較大的前5個國家地區分別是巴西、中國、美國、泰國、尼日利亞，這5個國家的發文量之和占到了世界總發文量的一半以上。

2.4 木薯研究方向和研究機構

由表1可看出，農業（Agriculture）研究的發

文量有1 020篇，占到總文獻量的24.21%;其次是食品科學技術（Food Science Technology）研究的文獻發表量875篇，占到總文獻量的20.76%;化學（Chemistry）研究的文獻發表量567篇，占到總文獻量的13.45%;其次是生物技術應用微生物學（Biotechnology Applied Microbiology）、植物科學（Plant Sciences）、工程（Engineering）、高分子科學（Polymer Science）、生物化學與分子生物學（Biochemistry Molecular Biology）、能源燃料（Energy Fuels）、科學技術其他專題（Science Technology Other Topics）等。

在研究機構里，國際熱帶農業研究所（INT INST TROP AGR）發文量115篇，占總發文量的2.73%;圣保羅大學（UNIV SAO PAULO）112篇，占總文獻量的2.66%;泰國農業大學（KASETSART UNIV）和中國科學院（CHINESE ACAD SCI）發文量86篇，占總文獻量的2.04%，其次是圣路易斯唐納德植物科學中心（DONALD DANFORTH PLANT SCI ??CTR）、隆德里納州立大學（UNIV ESTADUAL LONDRINA）、中國熱帶農業科學院（CHINESE ACAD TROP AGR SCI）、孔敬大學（KHON KAEN UNIV）、哥倫比亞大學（UNIV NACL COLO?MB?IA）等。

綜合研究機構和研究方向結果表明，中國在木薯研究領域中占有重要地位，科研投入和成果產出均位居前列。

2.5 文獻計量圖譜

2.5.1? 2009―2011圖譜分析? 對2009―2011年數據的關鍵詞分析得到5個聚類（圖4），分別是木薯淀粉（cassava starch）、木薯（Manihot esculentaCrantz）、發酵（ fermentation）、α-淀粉酶（alpha amylase）、病毒（virus）。通過圖譜可視化信息可以得出，木薯淀粉聚類下主要有高分子聚合物、生物膜、淀粉流變及糊化性質等，木薯聚類下主要涉及遺傳轉化、基因組草圖、群體遺傳學研究，發酵聚類下主要方向為塊根發酵水解液的研究，α-淀粉酶聚類下主要內容為固定化酶水解木薯，病毒聚類下主要涉及影響存活率和塊根產量的病害研究。

2.5.2? 2012―2014圖譜分析? 對2012―2014年數據的關鍵詞分析得到5個聚類（圖5），分別是木薯淀粉、力學性能（mechanical property）、發酵、乙醇生產（ethanol production）、抗性淀粉（resistant starch）。木薯淀粉研究主要集中在熱塑性淀粉、增塑劑、高吸水性淀粉、淀粉復合膜可生物降解膜、食品膠體等領域，力學性能聚類下主要有淀粉流變性、黏彈性等，發酵聚類下有琥珀酸發酵、白曲酶生產乙醇、固態發酵、發酵食品等，乙醇生產方面有濕式氧化、耐高溫酵母、木薯殘渣利用等，在抗性淀粉方面主要有直鏈淀粉、淀粉水解率等。

2.5.3? 2015―2017圖譜分析? 對2015―2017年數據的關鍵詞分析得到5個聚類（圖6），分別是木薯淀粉、非生物脅迫（abiotic stress）、聚乙烯醇（polyvinyl alcohol）、可再生能源（renewable energy）、雙生病毒（begomovirus）。在木薯淀粉方面主要有膳食纖維、碳納米管修飾、復合膜、聚乙烯醇復合物、聚苯乙烯泡沫等，非生物脅迫聚類下主要有土壤溫度、鹽脅迫、非生物脅迫相關基因的挖掘、木薯DNA甲基化研究等，聚乙烯醇聚類下的研究主要有可生物降解復合膜、綠色復合材料等，在可再生能源方面的研究主要有太陽能木薯板、生物乙醇、纖維床生物反應器、木薯淀粉渣飼料、微生物燃料電池等，在雙生病毒方面主要的研究有花葉病毒、單組分雙生病毒、叢枝菌根真菌、衛星病毒等。

2.5.4 ?三階段圖譜分析? 結合3個階段的聚類信息可以得出，木薯淀粉、病毒2個聚類在3個階段都有大量文獻發表，表明該領域研究一直處于活躍狀態。木薯發酵在前2個階段聚類，乙醇生產和生物乙醇在后2個階段聚類，反映出木薯淀粉生產燃料乙醇持續成為關注熱點。

2.6 三階段共現熱詞頻率分布

從熱詞頻率堆疊圖（圖7）分析3個階段木薯研究共同點和差異，將3個階段出現頻率前10位的共現熱詞進行比較。在3個階段中，共現熱詞出現的頻率各有不同，較少部分熱詞出現頻率相同情況。“physicochemical property”和“fu?nc?t?ional property”均在第一階段出現后在第二階段頻率上升，但在第三階段頻率下降;只在第一階段和第二階段連續出現的有“gelatinization”、“am?ylose”、“rheological”;而“potato sta?rc?h”、“corn starch”是在第二階段和第三階段連續出現;“mechanical property”、“edible film”和“composite”是在第一階段和第三階段出現且頻率相同。共現熱詞在每個階段出現的時間和頻率差異，反映了每個階段針對木薯研究的主要方向和研究深度不同。

2.7? 三階段高被引文獻

2.7.1? 2009―2011年高被引文獻 ?2009―2011年國內的木薯研究主要是（表2）：木薯作為生物燃料作物其生物乙醇的生產潛力^[15]，進一步研究了以木薯淀粉、木薯渣的暗發酵和光發酵兩步法高效制氫^[16-17];依賴RNAi介導的雙生病毒抗性，通過轉基因獲得對非洲木薯花葉病毒（ACMV）具有抗性的木薯^[18];研究生物制氫條件溫度、pH、預處理接種混合菌在連續和分批熱處理木薯釜餾物的影響，且發現溫度比預處理菌種對于提高氫產量更為重要^[19-21]異戊烯基轉移酶基因調控細胞分裂素合成獲得葉片壽命延長的木薯品種^[22];海洋酵母菌從代替葡萄糖碳源的木薯淀粉水解液中生產單細胞油脂^[23];具有高纖維素降解能力的穩定嗜熱微生物菌群預處理木薯渣提高甲烷產量^[24]。此階段主要研究制取綠色燃料乙醇和氫。

2.7.2? 2012―2014年高被引文獻? 2012―2014年間國內木薯研究主要是（表3）：木薯淀粉水解液通過酵母獲得油脂制備生物柴油的研究^[25];木薯冷應激反應網絡中的綜合調控和轉錄調控，揭示熱帶植物耐冷的分子機制^[26];腸桿菌菌株SDM處理木薯粉生產制備2，3-丁二醇^[27];酵母抽提物促進乙酰丁酸梭菌ATC824發酵生產生物丁醇^[28];研究轉基因木薯中活性氧（ROS）清除酶、銅/鋅超氧化物歧化酶（MeCu/ZnSOD）和過氧化氫酶（MeCAT1）的共表達，達到延緩木薯貯藏根變質的目的^[29];光合作用、淀粉積累和非生物脅迫的基因在木薯選育中被積極選擇^[30];產氫小球藻與木薯淀粉混合生物質強化產氫、甲烷效率的研究^[31];Cu/Zn超氧化物歧化酶和抗壞血酸過氧化物酶的表達增加可提高木薯對氧化和低溫脅迫的耐受性^[32];木薯酒糟濾渣制備新型碳基固體酸及其在廢棄食用油中酯化游離脂肪酸^[33];大腸桿菌NZN111木薯琥珀酸的同步糖化發酵^[34]。此階段主要研究木薯選育和淀粉產品。

2.7.3? 2015―2017年高被引文獻? 2015―2017年國內木薯研究主要是（表4）：兩個木薯品種應對干旱脅迫的不同策略分析^[35];檸檬酸酯化制備具有熱穩定性的RS（抗性淀粉）^[36];木薯CG基因體DNA甲基化在植物基因表達調控和轉座子沉默中起著重要作用^[37];木薯非生物脅迫相關BZIP轉錄因子、WRKY基因家族的全基因組鑒定與分析^[38-39];通過基因工程控制褪黑激素生物合成基因，可以防止木薯貯藏根的變質^[40];在脈沖電場輔助乙酰化后，對木薯淀粉的納米結構、形態和功能分析^[41];木薯工業廢料和殘留物生產的增值產品，主要是生物燃料等生物化學品^[42];不同取代度辛烯基琥珀酸酐改性木薯淀粉的消化率、理化性質和結構性質^[43];在乙醇-水體系中進行木薯乙酰丙酸乙酯的制備^[44]。此階段研究主要是針對木薯淀粉產品。

3? 討論

世界范圍內木薯研究熱點文中做了2009― 2017年的可視化分析，2009年高被引文獻分析發現木薯淀粉-殼聚糖制備可食用復合膜、木薯與生物燃料的研究^[45-46]，引發新的研究熱點。在這之后主要熱點有木薯育種研究領域，2009―2011年木薯基因組測序和木薯遺傳轉化體系建立，為木薯基因工程研究奠定了良好的基礎;2012― 2014年木薯基因功能挖掘和轉基因研究成為熱點。2015―2017年木薯非生物脅迫成為研究熱點，主要有番茄紅素介導木薯非生物脅迫響應、非生物脅迫相關基因及轉錄因子的功能挖掘，非生物脅迫下木薯小RNA研究等。在淀粉改性及新型材料加工方面，2012―2014年，研究主要集中在熱塑性淀粉、增塑劑、淀粉可生物降解復合膜、食品膠體等領域;2015―2017年，木薯淀粉在新的領域有了應用，如碳納米管改性和修飾、淀粉-聚乙烯醇可降解材料、聚苯乙烯泡沫等。2015―2017年，在可再生能源方面有了較多研究，出現了太陽能木薯板、纖維床生物反應器、微生物燃料電池等新的熱點。

國內木薯研究熱點主要是木薯育種改良的研究：通過轉基因獲得對非洲木薯花葉病毒（ACMV）具有抗性的木薯。異戊烯基轉移酶基因調控細胞分裂素合成以獲得葉片壽命延長的木薯品種。了解木薯冷應激反應網絡中的綜合調控和轉錄調控，揭示熱帶植物耐冷的分子機制。選育中積極選擇光合作用、淀粉積累和非生物脅迫的基因。研究轉基因木薯中活性氧（ROS）清除酶，銅/鋅超氧化物歧化酶（MeCu/ZnSOD）和過氧化氫酶（MeCAT1）的共表達，達到延緩木薯貯藏根變質的目的。通過基因工程控制褪黑激素生物合成基因，防止木薯貯藏根的變質。Cu/Zn超氧化物歧化酶和抗壞血酸過氧化物酶的表達增加以提高木薯對氧化和低溫脅迫的耐受性;利用價值研究主要是木薯淀粉、木薯渣的暗發酵和光發酵兩步法高效生物制氫，以及溫度、pH、預處理接種混合菌在連續和分批熱處理木薯釜餾物生物制氫。研究海洋酵母菌從代替葡萄糖碳源的木薯淀粉水解液中生產單細胞油脂，進而利用木薯淀粉水解液通過酵母獲得油脂制備生物柴油。木薯酒糟濾渣制備新型碳基固體酸及其在廢棄食用油中酯化游離脂肪酸。具有高纖維素降解能力的穩定嗜熱微生物菌群預處理木薯渣提高甲烷產量。木薯工業廢料和殘留物生產的增值產品，主要是生物燃料等生物化學品。檸檬酸酯化制備具有熱穩定性的抗性淀粉。

自身的研究關注在淀粉作為次生代謝物，受質體發育調控。質體有多種類型，不同質體在植物生長發育的不同階段都有著非常重要地位，除了參與光合作用，還與淀粉、脂類、萜類、氨基酸、四吡咯和激素代謝合成有關^[47-50]。質體與核基因組之間存在正向調控和反向調控。研究表明，在煙草BY-2培養細胞的淀粉體分化過程中，質體反向調控信號對核基因組淀粉合成基因的表達非常關鍵^[51]。本文推測，質體反向信號調控途徑與細胞內的其他信號途徑的相互作用，使質體能靈敏地感知自身及環境變化，對植物的各項生理反應有著相當程度的調控能力。質體調控對植物而言是牽一發而動全身。因此，提出通過調控質體分裂創新木薯種質的新思路^[52]。質體分裂是一個多蛋白參與的過程^[53-54]。FtsZ蛋白也被證明能夠調節馬鈴薯和水稻中淀粉體的分裂活動，改變其淀粉粒的特性^[55-56]，影響水稻復粒淀粉形成^[57]。本課題組從木薯中克隆了FtsZ家族基因進行表達模式分析，并轉化大腸桿菌和擬南芥進行功能鑒定^[58-59]。以我國木薯主栽品種華南8號（Manihot esculentaCrantz. cv. M. South China 8，SC8）為遺傳轉化體系，構建MeFtsZs基因的正反義植物載體轉化木薯，獲得田間表型差異顯著的MeFtsZs轉基因植株。研究初步表明，調節木薯質體分裂關鍵基因MeFtsZ的表達，影響質體內的次生代謝物積累（色素積累、復粒淀粉增加）、葉片形態建成、開花及分枝發育、植株“源庫”比，符合質體調控“牽一發而動全身”的判斷。

4? 結論

借助CiteSpace文獻計量軟件以及Web of Science的網頁分析檢索結果功能，對木薯相關文獻進行了可視化分析和其他表征分析，得出以下結論：從發文量來看，木薯研究在農業和食品科學技術領域占比較大，中國在木薯研究科研投入和成果數量產出方面都位居前列。分子育種成為品質改良的重要手段。木薯淀粉、木薯病毒、燃料乙醇、活性氧去除以及基因工程控制褪黑激素生物合成基因來延緩木薯塊根變質持續成為關注熱點。木薯淀粉在新型材料加工方面的應用，如碳納米管、淀粉-聚乙烯醇可降解材料、聚苯乙烯泡沫等。在品質選育方面有揭示熱帶植物耐冷的分子機制、淀粉積累和非生物脅迫基因的積極選擇、酶的表達增加以提高木薯對氧化和低溫脅迫的耐受性。在價值開發方面有酯化游離脂肪酸、光暗發酵結合制氫、嗜熱菌群生產甲烷，大腸桿菌NZN111處理木薯琥珀酸的同步糖化發酵。在乙醇-水體系中進行木薯乙酰丙酸乙酯的制備。在可再生能源方面出現了微生物燃料電池等新的研究領域。

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