近年來光合作用領域的前沿和熱點研究

蔣甜 許哲平 陳學娟 盧慶陶 楊輝霞 朱學軍

摘 要：科技術語是科技論文的基本要素和重要特征，光合作用研究論文中存在大量的科技術語。基于數據驅動的科技術語分析能夠對學科領域的動態發展和演變起到較好的揭示和印證作用。文章以VOSviewer軟件為主要分析工具，對Web of Science數據庫中光合作用領域近三年的高被引論文和熱點論文中的科技術語進行計量分析和可視化呈現。分析比較的結果表明，近年來光合作用的研究熱點集中在“自然光合作用的機理探究”“光合作用與環境變化”“人工光合的應用和發展”三個方向，“光催化劑”成為這幾年光合作用領域研究的前沿。

關鍵詞：光合作用;VOSviewer;高被引論文;熱點研究;科技術語

中圖分類號：Q945.11;N04 ??文獻標識碼：A? DOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2021.01.009

Frontier and Hot Researches in the Field of Photosynthesis： Analysis of Scientific Terms Based on WOS Highly Cited Papers//JIANG Tian， XU Zheping， CHEN Xuejuan， LU Qingtao， YANG Huixia， ZHU Xuejun

Abstract： Terminology is the basic element and significant feature of scientific literatures. Photosynthesis research field contains quantity of scientific terms. In this study， the scientific terms in highly cited papers and hot papers published in the field of photosynthesis in the last three years in the core collection of Web of Science were taken as objects， and VOSviewer software was used as the main tool to carry out bibliometric and visual analysis. Our results show that photosynthesis researches mainly focus on three directions： “the mechanism of natural photosynthesis”， “photosynthesis and climate change”， “the application and development of artificial photosynthesis”. Photocatalysts have become the forefront of photosynthesis research in recent years. The data-driven analysis of scientific terms can better reveal and verify the dynamic development and evolution of subjects.

Keywords： photosynthesis; VOSviewer; highly cited papers; hot researches; terminology

收稿日期：2020-12-15

基金項目：中國科學院文獻情報領域引進優秀人才計劃;中國科學院戰略性先導科技專項（A類）“地球大數據科學專項”（XDA19050403）

文獻計量學是對科技文獻進行定量分析的有效工具[1]，被廣泛用于包括植物科學在內的多個領域的研究趨勢評價[2-3]。李曉曼等[4]基于文獻計量分析了1995—2018年植物表型組學研究進展，徐志周等[5]進行了基于SCI的植物菌根信號的文獻計量分析，王瑞等[6]基于文獻計量分析對國際小麥科研實力進行了比較研究。

植物科學領域近三年（2017—2019）發表的研究論文中，“光合作用（photosynthesis）”為出現頻率最高的關鍵詞（表1）。光合作用是地球上最基本的生物過程之一，它為所有高等生物提供氧氣，其CO2固定過程不僅為地球上的生物提供食物來源，也在控制大氣CO2濃度方面發揮了重要作用。近年來，大氣中CO2含量的增加以及隨之帶來的氣候變化將對光合作用產生影響，但其影響的具體機制尚不明確，引起研究人員的廣泛關注[7-8]。此外，光合作用也是植物抗逆、作物高產等研究領域關注的重點，光合作用的研究對于解決全球氣候變化對糧食產量和環境變化的影響至關重要，人工光合效率的提高為能源問題的解決提供了有效途徑。

作為專業性較強的學術領域，光合作用研究包含了大量科技術語。本文運用文獻計量學和知識圖譜的方法，基于WOS中高被引論文中的科技術語，對光合作用領域近三年的研究熱點和前沿進行分析和探測，以輔助科研人員快速制定和調整科研方向，也為科研管理部門進行學科布局和戰略選擇提供決策依據和參考。

1 研究基礎

1.1 研究工具及研究方法

本文利用了文獻計量的方法，從年度發文量分析、論文被引頻次分析、關鍵詞詞頻分析、關鍵詞共現分析等多個維度對光合作用領域的文獻進行分析和挖掘，并基于VOSviewer軟件進行可視化呈現。VOSviewer是基于JAVA程序編寫的，可以對知識領域進行分析與可視化的開源軟件。其分析對象是科學文獻，特別是利用了WOS的引文數據來進行交互式的可視化分析。本研究用到的文獻計量可視化工具主要為VOSviewer1.6.15版本軟件。

1.2 數據收集

數據來源選取Web of Science核心合集中光合作用研究領域近三年（2017—2019）的文獻，檢索式為：TS=（''photosynthesis'' or ''photosynthetic''），共有論文25 835篇。將過濾結果依據設置為領域中的高被引論文及領域中的熱點論文①，累計491篇，檢索時間為2020年10月14日。

2 光合作用領域近三年文獻計量分析

2.1 年度發文量分析

光合作用的研究有著悠久的歷史，早在1771年，英國化學家約瑟夫·普利斯特列（J. Priestley）就通過密閉鐘罩實驗證明了植物可以“凈化”空氣，這是光合作用研究的開端。2000年以來，光合作用領域發文量呈現持續增長態勢，從2000年的2995篇增至2019年的9441篇，年均增長率為6.23%。

2.2 高被引論文分析

論文被引頻次能夠在一定程度上反應論文的受關注程度，通過對領域內的高被引論文進行分析，可以揭示該研究領域的研究前沿和熱點方向。表2列出了Web of Science核心合集中收錄的光合作用領域近三年排名前10位的高被引論文。由表2可以看出，這10篇高被引論文全部與“光催化劑”的研究相關，說明“光催化劑”成為近年來光合作用領域關注的前沿方向。

3 基于高被引論文及熱點論文的光合作用領域文獻聚類分析

3.1 關鍵詞共現分析

共詞分析方法利用文獻集中詞匯對或名詞短語共同出現的情況，來確定該文獻集所代表學科中各主題之間的關系。科技文獻中出現的關鍵詞絕大多數屬于科技術語的范疇，共詞分析方法可以有效分析科技術語之間的共現關系。通過VOSviewer軟件對光合研究領域近三年發表的高被引論文及熱點論文中出現的關鍵詞進行聚類分析。將WOS核心合集中光合作用領域2017—2019年發表文獻的關鍵詞按照詞頻排序，去除語義過于寬泛的詞匯（如plant等），以及表述物種名稱的詞匯（如Arabidopsis等）后，選取共現頻次高于5的關鍵詞進行聚類分析（共216個詞），得到如圖2所示的聚類圖譜。

由圖2看出，根據關鍵詞聚類，近三年光合作用研究熱點集中于四個方向。聚類一（黃色）代表“光能的捕獲、傳遞和轉化”，聚類二（綠色）代表“氣候變化對光合作用及碳循環的影響”，聚類三（藍色）類簇代表“非生物脅迫與光合作用”，聚類四（紅色）代表“人工光合”。這里將各個類簇中關鍵詞按照共現頻次排序，選取排名前30位的關鍵詞進行解析。

聚類一：光能的捕獲、傳遞和轉化根據表3中的關鍵詞，聚類一主要涉及“光能的捕獲、傳遞和轉化過程中葉綠體基因表達調控研究及晶體結構解析”。

（1）光能的捕獲：光能的捕獲是指一系列光合色素分子吸收光能并傳遞到光合反應中心（P680，P700）的過程。放氧光合生物有兩個光系統，分別是光系統I（photosystem I，PSI）和光系統II（photosystem II，PSII）。兩個光系統都是由各自的核心復合物和外周的捕光蛋白復合物（light-harvesting complex，LHC）組成的多亞基蛋白-色素復合物。光能的捕獲是光合作用原初反應的起點，綠色植物中光能的捕獲主要依賴于光系統I和光系統II的核心天線系統以及外周天線系統。外周天線系統即類囊體膜上的捕光色素復合物（LHC），LHCI是光系統I的外周天線，LHCII是光系統II的外周天線。此外，在狀態轉換過程中，LHCII可以從光系統II移動到光系統I來平衡光系統之間的捕光能力[9]。高光下，LHCII可以耗散掉多余的光能，在光保護過程中發揮作用。

（2）光能的傳遞：光合電子傳遞鏈是指類囊體膜上由一系列相互銜接的電子傳遞體組成的電子傳遞總軌道。主要的電子傳遞途徑是由希爾等人于1960年提出并經后人修正的“Z方案”（Z scheme），即H2O的光解產生的電子，經過PSII復合體、Cytb6f復合體傳遞到PSI復合體，產生NADPH和H+，使電子傳遞鏈呈側寫的“Z”字形。此外，還有環式電子傳遞鏈和假環式電子傳遞鏈兩種電子傳遞方式。

（3）光能的轉化：葉綠體在光合電子傳遞的同時，通過光合磷酸化過程使ADP和Pi形成ATP，為后續的暗反應階段提供還原力。當光量子強度大于光量子的利用量時，光能不能夠被植物完全吸收，且多余的光量子會對葉片產生破壞，導致光合效率下降，產生光抑制（photoinhibition）。對于多余的光量子，植物體內有兩道防線，第一道防線是阻抑機制，即將多余的光能以熱的形式耗散掉;第二道防線是清除機制，即通過抗氧化酶系統、類胡蘿卜素等清除活性氧（包括單線態氧和過氧化氫）等光的有毒產物。

暗反應階段，利用光反應階段生成的ATP，通過卡爾文循環固定CO2，最后生成儲存能量的有機物，不僅為地球上的生物提供食物來源，也調控了大氣中CO2濃度。C3植物只有1次CO2固定（通過RuBP羧化酶），C4植物有2次CO2固定（通過PEP羧化酶和RuBP羧化酶）。PEP羧化酶對CO2親和力很高，通過C4途徑轉移CO2，使鞘細胞CO2濃度比空氣中高20倍左右，起CO2泵的作用。所以，一般情況下，C4植物的CO2同化速率顯著高于C3植物，因此C4植物在碳循環中起著非常重要的作用，在大氣中CO2濃度升高的當下，C4植物光合作用尤為引人關注。

蛋白結構是生理功能的內在基礎，晶體結構的解析是理解光能捕獲、傳遞和轉化的結構基礎的關鍵。結構的解析可以幫助我們認識光合作用的工作原理，從而更好地利用光合作用解決人類面臨的糧食、能源、環境等問題。近年來，隨著冷凍電鏡技術的發展，光合蛋白復合物的結構不斷得到解析。

聚類二：氣候變化對光合作用及碳循環的影響

工業革命以來，大氣中CO2濃度從280ppm上升到410ppm[10]，增加了45%，導致截至2017年全球平均氣溫上升了0.8°C[11]。較高的溫度不僅會改變植物的熱環境，而且隨著蒸散動力的增加，未來的大氣可能會變得更加干燥[12]。植被作為陸地生態系統碳庫的主要成員，通過與土壤（陸地生態系統碳庫的第二大成員）、大氣（大氣碳庫）交互構成了完整的陸地生態系統碳循環[13]。

光合作用是CO2從大氣中進入生物圈的唯一途徑，要準確地預測氣候條件的變化對植物生產力的影響，依賴于對控制光合作用的機制的正確理解。光合作用直接或間接地與氣候條件密切相關。在C3植物中，Rubisco對二氧化碳的固定是光合CO2同化的第一步，而在正常細胞間CO2濃度下，Rubisco活性遠沒有被CO2飽和。CO2和O2競爭Rubisco的活性位點，CO2含量的增加有利于羧化作用，不利于氧化作用。氣候變化對光合作用的間接影響更為重要。當植物體內水分低于臨界值時，植物會通過關閉氣孔來減少體內水分的流失，這同時也限制了作為光合作用原料的CO2進入[14]。預計CO2濃度的升高會增加葉片的光合速率，但這實際發生的程度尚不清楚，因為CO2對光合作用的刺激取決于葉片溫度、水分和養分的可利用性[15-16]。

聚類三：非生物脅迫與光合作用

一方面，各種非生物脅迫環境降低了植物的光合作用能力。在非生物脅迫條件下，光合作用發生光抑制，產生有害的活性氧，威脅植物的健康和生存。脅迫還會影響光能利用率、降低色素水平、破壞葉綠體特別是光系統的結構。光合作用的暗反應是由酶所催化的一系列化學反應，而溫度可直接影響酶的活性[17]。光合作用對高溫脅迫高度敏感，通常在其他細胞功能受損之前就被抑制[18]。高溫導致葉綠素合成減少，降解加速，類囊體膜解垛堞和膜脂組成的改變，光系統II損傷，Mn簇瓦解，光合作用相關的酶活性降低甚至失活[17， 19]。干旱和鹽脅迫對于光合作用的影響有直接的（由于通過氣孔和葉肉的擴散限制而導致的CO2有效性降低），也有間接的，例如由多重壓力疊加產生的氧化應激，以及光合相關基因的下調[20]。

另一方面，葉綠體在植物抵抗非生物脅迫中也發揮了重要作用。例如，葉綠體可以通過膜結構和光受體感知冷脅迫信號，維持內環境穩態，并通過調控脂質膜結構的狀態、光合相關蛋白的豐度、酶的活性、氧化還原狀態以及激素平衡，提高植物對寒冷環境的抗性[21]。此外，葉綠體內合成的植物激素如脫落酸（abscisic acid，ABA）、茉莉酸（jasmonic acid）、水楊酸（salicylic acid，SA）以及活性氧（reactive oxygen species，ROS）和氧化還原信號，也是植物脅迫響應的關鍵組分。

聚類四：人工光合

由表6看出，在聚類四中“人工光合”“CO2還原”“產氫”等語義相關詞匯共現頻次較高，且與其他關鍵詞的關聯較強。光合作用生物體利用太陽輻射，以水和二氧化碳為原料合成能量豐富的化合物，這一過程不僅儲存了太陽能，還固定了溫室氣體二氧化碳。然而，自然系統中大量的能量轉換瓶頸限制了光合作用的整體效率，即使光合效率最高的植物其太陽能儲存效率也不超過1%[22]。人工光合作用研究的目標是創造低成本的集成系統，將太陽能直接轉化為高能量密度燃料。人工光合作用的優勢在于可以直接將太陽能進行轉換和存儲，降低了能量二次轉化的損失，且反應的副產物清潔環保。不僅如此，人工光合通過固定二氧化碳和替代能源與化石燃料，未來有望解決由于二氧化碳排放引起的全球變暖這一科學難題。雖然與天然光合作用相比，人工光合的太陽能利用率已經有了很大提升，但其能量轉換效率和較高的生產成本尚不足以與化石燃料競爭。

制備和應用高效的可見光活性催化劑是人工光合的關鍵。表6中“光催化”“石墨相氮化碳”“二氧化鈦”“石墨烯”等詞共現頻次較高，且與其他關鍵詞的關聯較強。石墨相氮化碳（g-C3N4）是一種獨特的2D層狀非金屬材料，因其在制氫、水氧化、有機污染物去除、人工光合作用和CO2還原等方面具有良好的光催化活性，成為光催化研究的明星分子[23]。g-C3N4的能帶結構非常適合催化水的裂解過程的產氫和放氧兩個關鍵半反應步驟，并且合成方法簡單、熱穩定性良好，因此被認為是人工光合中具有廣闊應用前景的光催化材料。

3.2 關鍵詞演化分析

利用VOSviewer軟件的Overlay圖譜進行光合作用領域關鍵詞演化分析。節點的顏色對應關鍵詞出現的平均年份，顏色越藍表示關鍵詞出現的時間越早，越紅說明關鍵詞出現的時間越晚。由圖3看出，光合作用領域近三年來大多數關鍵詞出現時間集中于2018年。titanium-dioxide、g-C3N4、nonocrystals、quantum dots、hydrogen-production、composite photocatalysts等詞出現于2017年，表明人工光合相關研究在2017年熱度最高。photoinhibition、silicon、antioxidant、drought tolerance、atmospheric CO2、CO2 assimilation、conductance、thermal-acclimation、primary productivity、leaf-area index等詞出現于2019年，表明氣候變化導致大氣中CO2濃度的增加對光合作用造成的影響越來越受到重視。

3.3 關鍵詞密度分析

VOSviewer密度視圖可以通過關鍵詞密度展示某個研究領域的研究重點和熱點。由圖4可以看出，氣候變化對光合作用及碳循環的影響、人工光合、非生物脅迫與光合作用是近三年來光合作用領域最受關注的研究方向。

4 總結與討論

科技術語是反映學科研究內容的基本要素，高被引論文是反應學科領域研究前沿和熱點的重要載體。本文利用文獻計量的方法，結合VOSviewer軟件，對光合作用領域近三年發表的高被引論文中的科技術語進行分析、聚類和可視化呈現，得出如下結論：

一、近年來光合作用的研究熱點集中于三個方面：一是自然光合作用的機理探究，如聚類一“光能的捕獲、傳遞和轉化”;二是光合作用與環境變化，包括聚類二“氣候變化對光合作用及碳循環的影響”和聚類三“非生物脅迫與光合作用”;三是人工光合的應用和發展，即聚類四“人工光合”。近年來，國際上權威的光合作用會議主題聚焦的熱點也涵蓋了這些研究方向，如2018年首屆亞洲-太平洋光合作用大會[24]、2019年光合作用戈登研究會議[25]，以及2022年即將舉辦的國際光合作用大會[26]。

二、人工光合作用有望成為解決全球氣候變化、能量和食物安全問題的有效途徑。人工光合相關研究在2017年熱度最高。自然光合作用的催化劑是酶，而人工光合作用的光催化劑是半導體材料，高性能光催化劑的研發和制備是提高人工光合效率的關鍵，因此“光催化劑”成為近年來光合作用研究的前沿，這一點從被引頻次排名前10位的高被引論文也可以看出。此外，氣候變化導致大氣中CO2濃度的增加對光合作用造成的影響越來越受到重視。

三、光合作用領域近三年發表的高被引論文的高頻關鍵詞中，有12個關鍵詞也出現在植物科學領域近三年發表論文的排名前20位的關鍵詞中，包括photosynthesis、gene expression、drought、abiotic stress、climate change、oxidative stress、salt stress、yield、drought stress、reactive oxygen species、salinity、antioxidant。表明近三年光合作用的熱點研究方向同時也是整個植物科學領域關注的重點，也進一步說明了光合作用研究在整個植物科學領域的重要性日益突出。

從術語的角度能夠對學科發展態勢的分析起到一定的輔助作用，能夠一定程度上揭示相關發現，本文通過分析光合作用領域高被引論文中包含的科技術語的頻次、共現關系以及隨時間的演化情況，揭示光合作用領域近年來的研究前沿和熱點。

本研究選取的文獻來自Web of Science核心合集，基于英文文獻對國際光合作用研究態勢進行了分析，缺乏對國內光合作用研究前沿和熱點的分析和討論，這是本研究的局限所在，在今后的研究中將結合CNKI、維普、萬方等中文平臺的數據對國內光合作用研究態勢進行進一步的研究。

注釋

① 根據ESI指數（InCites Essential Science Indicators），熱點論文是指在過去兩年內發表的，截至2020年7/8月內受到的引用的次數在本領域中最優秀的0.1%之列的論文。

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作者簡介：

蔣甜（1988—），女，博士。中國科學院文獻情報中心資源建設部館員，從事科學數據管理、科技領域情報分析等相關研究工作，在《圖書情報工作》《中國生物工程》、Journal of Data and Information Science等期刊上發表論文。通信方式：jiangtian@mail.las.ac.cn。

通訊作者：許哲平（1980—），男，博士。中國科學院文獻情報中心副研究館員，Data Intelligence和《農業大數據學報》的編委，GBIF（全球生物多樣性信息機構）亞洲地區副負責人，CODATA（國際科技數據委員會）工作組成員。長期從事科學數據資源的建設、管理和應用服務等工作，主要研究領域包括生物多樣性、文獻計量、數字圖書館、地質和數字人文等，主持和參與了科技部、中科院、中國科協創新戰略研究院和各類委托項目20余項，在專業領域術語研究、數據組織加工、海量數據處理分析、GIS、數據可視化和知識圖譜等方面有豐富經驗，發表30多篇論文。通信方式：xuzp@mail.las.ac.cn。