基于文獻計量的農作物基因組研究領域發展態勢分析

袁雪 錢萬強 郭溪川 盧垚 顏蘊

（1. 中國農業科學院農業信息研究所，北京 100083；2. 中國農業科學院農業基因組研究所，深圳 518120）

農作物基因組學研究的空前發展正推動著農業的第二次“綠色革命”。全基因組的剖析，可以提供每個農業生物物種或品種全基因組的遺傳信息，尤其是對控制重要農藝性狀的基因組成情況分析，以及對調控復雜性狀的分子網絡的解析，皆得益于高效與廉價測序技術的發展［1-4］。目前國內外科學家已經實現了對重要農作物，如水稻、小麥、玉米、大豆、油菜、棉花和蔬菜等基因組的測序或重測序，實現了對控制重要農藝性狀基因的大規模克隆和鑒定。繼2002 年水稻基因組測序完成后，世界各國已完成或接近完成64 種作物基因組測序，中國作為世界上較早啟動農作物基因組研究的國家，主導或通過國際間合作完成了水稻、小麥、玉米、番茄、馬鈴薯和黃瓜等世界上70%-80%的重要農作物的基因組測序［5］。農作物基因組領域的研究和發展對中國乃至國際民生具有重要意義［6］。近年來，國內外農作物基因組學相關基礎研究與關鍵技術不斷深入，取得了較好的成績，相應的以農作物基因組為研究主題獲得的相關項目資助與SCI 收錄文獻也在逐年增加。因此，開展該研究主題的文獻計量分析，可以從一個側面深入了解農作物基因組學研究的發展狀況。文獻計量學是對文獻進行計量分析研究的科學［7］。科研項目是開展高水平科學研究的重要依托，科技論文是基礎成果的主要表現形式，其數量和質量是科研產出能力及科研活動活躍程度的重要標志之一［8］。利用文獻計量學的方法對某一研究領域的科研項目和科技論文進行定量分析研究，是目前科研量化評價的重要方法之一，也越來越受到科學界的重視［8］。文獻計量學在農業領域的應用越來越多，如鄔亞文等［9］將文獻計量學用于對國內外水稻發展態勢的研究；Josef 等［10］對1950-2010 年德國以蘋果、梨、櫻桃、李子、杏和桃等水果為題目的相關文獻進行了計量學分析；Tatry 等［11］對 2000-2009年歐盟 27 國和美國主導的關于水果和蔬菜的相關研究進行了文獻計量研究；Leiser 等［12］對法國國家農業研究院研究人員 2000-2006 年發表的關于蔬菜和水果的文獻進行了計量分析；趙春合等［13］基于 CiteSpace 文獻計量法對基因組學研究文獻進行可視化圖譜分析。現今，農作物基因組研究已經開展了二十幾年，國內外相關文獻數量呈快速增長趨勢。而目前相關學者的研究多集中于基因組學或基因組技術的研究，尚未見關于農作物基因組領域全面深度的計量分析。因此迫切需要從文獻計量學的角度進行定量分析，全面系統地總結該領域的發展現狀。本研究采用文獻計量學的方法，通過對2008-2017 年農作物基因組領域科研基金項目獲資助情況及SCI 論文收錄情況進行定量與定性分析，探索農作物基因組基礎研究概況及其發展趨勢，為科技管理工作提供支撐，為科研工作者選題和研究方向的確定提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

研究所涉及的科研基金項目數據來源于美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）和中國國家自然科學基金委員會（The National Natural Science Foundation of China，NSFC） 官 網。NSF 成立于1950 年，目標是通過對基礎研究計劃的資助，改進科學教育，發展科學信息和增進國際科學合作等辦法促進美國科學的發展。NSFC 成立于20 世紀80 年代初，在推動我國自然科學基礎研究的發展，促進基礎學科建設，發現、培養優秀科技人才等方面取得了巨大成績。研究所涉及的SCI 收錄文獻均來源于SCI-E 數據庫中的檢索結果，SCI-E是WOS 三大核心庫之一，是美國Thomson Reuters公司基于web 開發的產品，是自然科學、社會科學、藝術和人文領域的權威學術文獻數據庫，該庫為文獻計量的研究提供了便捷。

基金項目數：檢索到的某一特定范圍內獲資助的項目數量。

文獻記錄數：檢索到的某一特定范圍內的文獻數量。

文獻總被引頻次：檢索到的某一特定范圍內的所有文獻被引次數。

文獻篇均被引頻次：檢索到的某一特定范圍內的所有文獻被引次數除以文獻記錄數。

1.2 研究方法

科研基金項目檢索數據結合我國國家重點研發計劃“七大農作物育種”重點專項中涉及的作物品種水稻、玉米、小麥、大豆、棉花、油菜和蔬菜，將檢索對象設定為上述七大農作物，其中蔬菜包括已經完成基因組測序的白菜、甘藍、蘿卜、黃瓜、馬鈴薯、番茄、甜菜、辣椒和茄子。中美兩國自然科學基金項目的檢索數據依據表1 檢索要素和農業敘詞表分別對項目庫中的數據進行篩選和人工干預，檢索的時間跨度為2008-2017 年。SCI 論文通過WOS 平臺采取主題檢索方式進行檢索，依據表1 檢索要素對作物基因組進行限定并構建檢索式，檢索的時間跨度與基金項目的檢索時間一致，檢索日期為2018 年11 月8 日，文獻類型為article and review，語種為All language，然后對文獻數量與變化趨勢、學術影響力、國際合作狀況、研究前沿與熱點等進行分析。

學術影響力分析：為了從論文數量和質量上綜合分析國家或地區、研究機構的基礎學術相對影響力，本研究構建了基于論文屬性的相對影響力分析方法，具體是以發文量和篇均被引次數兩個維度繪制二維平面圖，并采用兩個指標的平均值為原點，將平面圖劃分為4 個象限，以此反映出各技術的相對研究規模和影響力。其中，第1 象限論文質量高且研究活動頻繁；第2 象限論文質量低，但研究活動較為活躍，可能在未來具有較大潛力；第3 象限相對而言，研究活動活躍程度和質量相對較低；第四象限研究活動尚未進入活躍期，但是論文質量高，值得關注。

表1 農作物基因組領域檢索要素表

國際合作分析：通過德溫特數據（Derwent data analyzer，DDA）分析軟件對發文量排名前20 位的國家進行自相關圖譜分析，繪制國家間科研合作情況的可視化分析圖；對發文量排名前10 位的機構進行機構間科研合作可視化分析，其中圖中圓點大小代表發文量多少，連線代表合作發文強度，連線粗細代表合作強度大小。

研究熱點分析：通過CiteSpace 對論文的關鍵詞進行分析、探索和揭示研究領域的熱點主題及其發展趨勢。其中節點大小表示關鍵詞的頻次，節點越大，被引頻次越高。

2 結果

2.1 中美科研基金項目資助對比

2008-2017 年，農作物基因組研究領域以小麥、玉米、水稻、大豆、油菜、棉花、白菜、甘藍、蘿卜、黃瓜、馬鈴薯、番茄、辣椒、甜菜和茄子等關鍵詞為題目的美國國家科學基金會資助項目數量261 項，中國自然科學基金資助項目數量251 項，具體如表2 所示。從近10 年獲資助項目總量來看，中國和美國基本持平，年均獲資助項目分別為25 項和26 項，資助總經費則分別達到21.49 億元和27 億美金，平均每項資助金額為85.61 萬元和103.29 萬美元。

表2 中美農作物基因組研究領域科研基金項目資助情況

從資助數量上來看，中國在農作物基因組領域支持的基金項目數量大致呈上升趨勢，但波動較大，發展不穩定。在2011-2013 年項目數量最多且高于美國，平均達到36 項，發展較為迅速，而在2009年和2015 年數量上有所下降，近兩年關注度有所回升。美國整體呈現上升趨勢，2012-2015 年數量急劇增加，出現數量上的小高峰，在2014-2016 年趕超中國，說明該期間美國對農作物基因組領域關注度較高，但近兩年有下降趨勢（圖1）。

圖1 2008-2017 年中美兩國農作物基因組領域基金項目數量

從總資助金額上來看，中國在2011 年獲資助金額達到最大值3 804 萬元，隨后呈下降趨勢，近兩年的資助金額穩定在1 928 萬元。美國則大致呈平穩上升趨勢，在2013 年達到峰值4 998 萬美元，在2017 年則有所下降。整體對比來看，美國在作物基因組領域基金項目資助金額遠超中國，且整體呈現年度上升的趨勢（圖2）。

圖2 2008-2017 年中美兩國農作物基因組領域基金項目資助金額

2.2 文獻規模與發展趨勢

研究表明某領域文獻數量及其年度趨勢與該領域研究的活躍程度和受關注程度呈正相關，且在一定意義上反映該領域的發展速度和發展程度［14］。本文采用第1 節所述方法檢索得到2008-2017 年農作物基因組研究領域初始數據集26 972 篇，經過人工與機器協同的方式批量去噪得到21 886 篇相關文獻。本文基于此數據集進行計量分析，2008-2017 年全球農作物基因組研究領域的SCI 論文年度發文情況（圖3）表明：在世界范圍內該領域文獻數量穩步增長，發文量年均增長率為8.1%，體現出全球研究人員對該領域的研究熱度平穩增加。其中，2011 年SCI 論文年度增長率達到最大值14.3%，2011 年-2016 年間，年增長率均保持在6%以上，呈現平穩增長態勢，標志著全球農作物基因組研究進入新階段。

圖3 2008-2017 年全球農作物基因組SCI 發文量年度分布

從文獻的國家（地區）分布來看，被SCI 收錄的文獻涉及的國家（地區）共140 個，其中文獻記錄數最多的20 個國家（圖4），基本分為兩個陣營，發文量居于前兩位的中國和美國屬于第一陣營，其發文量分別為7 343 篇和5 920 篇，且數量遙遙領先于其他國家，分別是排名第三的日本發文量的4.43倍和3.57 倍，分別占總發文量的33.6%和27.0%；日本等其他國家發文量均在2 000 篇以下。可見，中國和美國在農作物基因組研究領域的基礎研究占有主導地位。

圖4 2008-2017 年全球農作物基因組發文排名TOP20 國

對該領域文獻記錄數排名前10 的國家進行年度發文量統計（圖5）可知，從年度趨勢來看，除中國之外其他國家的文獻數量增長趨勢相對平穩，而中國近10 年來的文獻數量進入增長的快車道，特別是“十二五”期間，中國SCI 年度發文量在2011 年首次超過了美國，躍居世界第一位并在其后一直保持領先，且SCI 發文量年均增長率達10%，顯示出我國在農作物基因組領域基礎研究方面已經實現跨越式穩步發展。

圖5 2008-2017 年全球農作物基因組主要發文國SCI 發文量年度分布

從文獻的機構分布來看，通過采用DDA 軟件對該領域SCI 論文的作者機構進行清洗規范（圖6），10 年間農作物基因組研究領域SCI 發文量排名前3的研究機構分別為中國農業科學院（Chinese Acad Agr Sci）、美國農業部農業研究局（USDA ARS）和中國科學院（Chinese Acad Sci），發文量分別為1 265 篇、1 173 篇和1 003 篇，其余機構文獻數量均在1 000 篇以下。可見，上述3 家研究機構在該領域的研發投入較多，研究熱度較高。排在世界范圍內前20 位的研究機構有7 家來自中國，包括中國農業科學院、中國科學院、華中農業大學（Huazhong Agr Univ）、南京農業大學（Nanjing Agr Univ）、中國農業大學（China Agr Univ）、四川農業大學（Sichuan Agr Univ）、浙江大學（Zhejiang Univ）7 家，占前20位機構的35%；9 家機構來自美國，包括美國農業部農業研究局（USDA ARS）、康奈爾大學（Cornell Univ）、加州大學戴維斯分校（Univ Calif Davis）、愛荷華州立大學（Iowa State Univ）、佐治亞大學（Univ Georgia）、 明 尼 蘇 達 大 學（Univ Minnesota）、 密蘇里大學（Univ Missouri）、威斯康星大學（Univ Wisconsin）和堪薩斯州立大學（Kansas State Univ），可以從側面反映出中國和美國是該領域研究的優勢機構。

2.3 學術影響力分析

通過分析該領域高影響力論文，可以調查與評估不同國家或機構的科研實力與水平，同時也可以探討學科的研究熱點與發展態勢［15］。通過分析文獻數量居前10 位國家的總被引頻次和篇均被引頻次（表3）可知，美國雖在文獻數量上不敵中國，但總被引頻次卻處于領先地位，德國、英國和法國從文獻數量上位于top5 之后，但總被引頻次卻位于top5之列。從篇均被引頻次來看，英國、法國和德國分別以43.1、37.3 和35.5 位列前3 甲，反映出3 個國家在該領域具有較高影響力。而文獻數量排名榜首的中國，卻以篇均被引頻次17.5 居于末位，同時也反映出中國在該領域存在數量優勢明顯，質量有待提升的現狀。

圖6 2008-2017 年全球農作物基因組SCI 發文排名前20 位的研究機構

表3 2008-2017 年全球作物基因組文獻數量居前10 位國家被引情況分析

以篇均被引頻次代表文獻質量，從國家/地區相對影響力分析來看（圖7），美國處于文獻數量和質量均高于平均值的第一象限，處于該領域技術引領地位；中國位于文獻數量高于平均值、質量低于平均值的第二象限，研究規模較大，但影響力相對較弱，處于技術研究活躍，具備發展潛力的階段；韓國、印度、日本、加拿大集中在文獻數量和質量均低于平均值的第三象限，研究規模和影響力相對較弱；英國、德國、法國和澳大利亞位于發文量低于平均值、質量高于平均值的第四象限，雖然文獻數量有限，但其影響力較高，處于技術潛力遠超規模的階段。

圖7 2008-2017 年全球作物基因組領域文獻居前10 位國家文獻數量與影響力情況

分析發文量排名前10 位研究機構的總被引頻次和篇均被引頻次（表4），可知來自美國的美國農業部農業研究局和康奈爾大學總被引頻次超過文獻數量機構排名第一的中國農業科學院，分別排在第1、2 位，中國科學院則緊隨中國農業科學院，排在第4位。其它機構的總被引頻次遠低于這4 家機構。從篇均被引頻次來看，康奈爾大學、愛荷華州立大學和加州大學戴維斯分校分別以71.1、52.8、47.7 位列前3 位，這一計量指標反映出這3 家研究機構在該領域具有較高的研究水平和較大的國際影響力。值得注意的是，文獻數量和總被引頻次表現一般的法國農業科學研究院以篇均被引頻次37.4 位列第4，一定程度上也反映出其在該領域基礎研究方面的實力和影響力。此外，文獻數量排名靠前的中國農業科學院、中國科學院、華中農業大學、中國農業大學和南京農業大學篇均被引頻次均在17.3-28.3 之間，排名整體靠后，反映出我國研究機構在該領域基礎研究方面的研究水平和影響力有待提高。

以篇均被引頻次代表論文質量，從機構相對影響力分析來看（圖8），尚無研究機構分布于文獻數量與質量雙高的第一象限，美國農業部農業研究局、中國農業科學院、中國科學院和華中農業大學位于文獻數量高于平均值、篇均被引次數低于平均值的第二象限，反映這4 家機構已具備研究規模，但在技術影響力方面仍存在不足；同時，發現美國農業部農業研究局基本接近于第1 象限，即反映出其在該領域中的領軍地位；中國南京農業大學和中國農業大學位于文獻數量低于平均值、篇均被引次數低于平均值的第3 象限，表明其研究規模和影響力相對較弱；法國農業科學研究院、加州大學戴維斯分校、愛荷華州立大學和康奈爾大學位于文獻數量低于平均值、篇均被引次數高于平均值的第4 象限，反映這些機構雖文獻數量優勢不足，但影響力較為廣泛。

表4 2008-2017 年全球作物基因組文獻數據居前10 位機構影響力情況

2.4 國際合作狀況分析

科技論文發文數量排名top20 國家的科研合作情況如（圖9）所示，其中各國連線相似度均小于0.25，反映出該領域主要發文國之間的合作發文較少，科研合作緊密程度一般。值得關注的是，top20 國家合作發文情況大致出現了3 種情況，文獻數量相對較少的德國、英國、法國、荷蘭、西班牙、意大利和瑞士7 國形成了局部發文合作網，美國和墨西哥、菲律賓和日本形成兩兩合作，作為該領域發文量第一大國的中國與其他國家合作發文強度幾乎可忽略不計。

圖8 2008-2017 年全球作物基因組文獻數據居前10 位文獻數量與影響力情況

文獻發文數量top10 機構獨立發文所占比例超總發文量的50%以上（圖10），其中，法國農業科學研究院、華中農業大學和南京農業大學獨立發文量所占比例超80%，反映出這3 家機構在科研組織形式方面以自主研發為主，合作研發較少。中國農業科學院、中國科學院、美國農業部農業研究局、愛荷華州立大學和中國農業大學的獨立發文所占比例在64%-74%之間；加州大學戴維斯分校的獨立發文所占比例60%以下，康奈爾大學的合作發文所占比例不足50%。綜上分析，可以發現，美國科研機構在該領域科研合作較為廣泛，其中以康奈爾大學的科研合作交流最為緊密；相比而言，我國科研機構的科研合作交流略顯不足。

圖9 2008-2017 年全球農作物基因組主要SCI 發文國發文合作網絡

圖10 2008-2017 年全球農作物基因組主要SCI 發文機構合作發文情況

DDA 分析軟件對文獻發文量top10 機構進行自相關圖譜分析，基于該圖譜分析機構間的發文合作網絡（圖11）。整體來看，機構合作發文強度較弱（連線相似度均小于0.25），反映出該領域合作發文數量較少，科研合作緊密程度一般；同時可以發現，來自美國的美國農業部農業研究局、愛荷華州立大學、康奈爾大學和加州大學戴維斯分校以及來自中國的中國農業科學院、中國科學院和中國農業大學分別形成了局部合作網，華中農業大學、南京農業大學和法國農業科學研究院的合作強度基本可以忽略，反映出這3 所研究機構的科研合作交流略顯不足。

圖11 2008-2017 年全球農作物基因組主要SCI 發文機構發文合作網絡

2.5 研究前沿與熱點

針對上述SCI 論文樣本數據進行預處理，以被引頻次大于10 的關鍵詞為閾值，計算并列舉出農作物基因組領域的高頻、高中心性關鍵詞，按照中心性遞減順序排列，如表5 所示。利用CiteSpace 繪制關鍵詞共現網絡圖譜，設置時間切片為2 年，對網絡進行剪枝（Pathfinder）操作，圖12 中關鍵詞節點（十字節點）大小對應關鍵詞出現的頻次，節點年輪的顏色及厚度代表出現的時間，十字內色環越厚，表明詞在該年份出現的頻次越高。

結合表5 和圖12 分析可知，該領域中重點關鍵詞有“genome”、“arabidopsis thaliana”、“identification”、“linkage map”、“marker”、“rice”等，這反映出農作物基因組研究領域在近10 年（2008 年-2017 年）發展過程中，關注度較高的熱詞為“基因組”、“擬南芥”、“鑒定”、“連鎖圖譜”、“標記”、“水稻”等。其中“基因組”為研究核心對象，“連鎖圖譜”和“標記”是現代分子生物學的產物和有力工具，“擬南芥”是迄今為止基因組被研究的最好的模式植物，“水稻”則是在世界范圍內最為重要的糧食作物。

表5 2008-2017 年農作物基因組領域高中心性、高頻關鍵詞TOP15

圖12 2008-2017 年農作物基因組領域關鍵詞共現網絡圖

3 結論與討論

近10 年全球農作物基因組領域的研究熱度平穩增加，年均增長率為8.1%，2011 年度增長率達到最大，之后保持平穩增長態勢，表明該領域研究活動較為活躍，標志著全球農作物基因組研究進入新階段。中國和美國在此基礎研究領域占有主導地位，其發文量遙遙領先于其他國家，中國發文增勢強勁，在2011 年首次超過美國，躍居世界第一位并在其后一直保持領先，表明中國在該領域基礎研究方面實現跨越式穩步發展。該研究領域的重要機構主要來自美國和中國，中國在該領域的基礎研究力量主要集中在以中國農業科學院為代表的農業類科研院所及高校，美國的研究力量分布在以美國農業部農業研究局和以康奈爾大學為代表的高校。中國農業類科研機構及高校在該基礎研究領域的研究活躍程度較高，美國農業部農業研究局較高的研究熱度體現出美國在政府、政策層面對農作物基因組研究的重視和部署。主要發文國或研究機構之間的科研合作緊密程度一般，僅形成較弱的局部合作網絡，美國機構的科研合作相對廣泛，以康奈爾大學的科研合作交流最為緊密，中國研究機構在該領域的科研合作則較少，科研合作交流略顯不足。隨著科學技術的發展和科學進程的推進，作物基因組學研究必將成為各國重點投入研究的科學。