基于文獻計量學的煙草基因組研究知識圖譜分析

張玉嬋，田嘉樹，王曉麗，景藝卓，黃五星，韓丹*，許自成

基于文獻計量學的煙草基因組研究知識圖譜分析

張玉嬋1，田嘉樹1，王曉麗2，景藝卓1，黃五星1，韓丹1*，許自成1

1河南農業(yè)大學煙草學院，河南鄭州 450002；2湖北省煙草公司襄陽市公司，湖北襄陽 441003

【目的】明確煙草基因組領域研究現狀、發(fā)展歷程、重點前沿及未來研究的方向?！痉椒ā窟\用文獻計量學，結合CiteSpace文獻可視化軟件，對中國知網（CNKI）和Web of Science兩個數據庫中的煙草基因組研究文獻進行數據挖掘。【結果】（1）近年來關于煙草基因組研究的文獻發(fā)文量增加速度快，總體呈上升趨勢。（2）中國與美國的文獻在發(fā)文量和影響力方面占據優(yōu)勢地位。（3）國內研究學者以童治軍、肖炳光和龔達平及其團隊在基因組方面研究較為突出，作者之間合作關系密切，國外作者Sierro等人的文獻在該領域有很高的影響力。（4）得益于測序技術的發(fā)展，煙草基因組研究在基因標記技術、基因的鑒定與分析、基因組測序和基因組圖譜繪制等方面取得了豐碩的成果，同時在煙草抗性研究、煙葉病毒和農藝性狀改良等方面應用廣泛。【結論】我國煙草基因組研究已躋身世界前列，有力推動了現代煙葉的發(fā)展以及優(yōu)質煙草品種的培育。

煙草；基因組；知識圖譜；文獻計量；CiteSpace可視化

基因組（genome）是指包含在生物體DNA中的全部遺傳信息[1]，目前煙草基因組領域的研究主要以煙草基因組的序列結構研究為出發(fā)點，系統(tǒng)地開展功能基因組學研究，并建立起煙草基因組學研究的相關理論體系和技術平臺[2]。

通過對煙草基因組結構和序列的研究，科研人員繪制了煙草基因組圖譜，為煙草分子生物學和功能基因組學研究奠定了基礎。在20世紀80年代前后，幾項關鍵技術的發(fā)展和成功運用使得全基因組序列測定成為可能，煙草基因組測序和基因圖譜的繪制也不斷發(fā)展[3]。在逐步探明煙草基因圖譜的基礎上，煙草基因組研究轉入功能基因組學階段，即對控制煙草生長發(fā)育、逆境響應、品質等性狀的基因進行克隆和生物學功能分析，挖掘優(yōu)質煙草種質資源中的優(yōu)異等位基因，進一步通過分子標記輔助選擇方法進行育種利用[4]。

本研究運用中國知網（CNKI）和Web of Science（WOS）數據庫的檢索分析，同時利用CiteSpace軟件繪制煙草基因組研究文獻的圖譜，再結合文獻計量學方法，對煙草基因組研究文獻進行量化分析，為煙草基因組學的研究提供參考。

1 研究設計

1.1 數據來源

本研究的中文數據來源主要為中國期刊全文數據庫（CNKI）。數據字段主要包括文獻的作者（Authors）、題目（Title）、摘要（Abstract）和文獻的引文（Cited References）等，檢索時間為2021年10月14日。中文文獻數據的檢索策略為在知網中選擇專業(yè)檢索，檢索條件：SU=（‘煙草’+‘絨毛煙草’+‘林煙草’）*‘基因組’-‘小麥’-‘玉米’-‘水稻’–‘番茄’OR SU=（‘煙草’+‘絨毛煙草’+‘林煙草’）*‘基因組學’-‘小麥’-‘玉米’-‘水稻’-‘番茄’，時間段設置為1991年1月1日至2020年12月31日，去除其中不相關文獻，以“Refworks”格式導出由CiteSpace軟件去重后得到適合分析的文獻495篇。

國外文獻數據由Web of Science檢索，選擇Web of Science核心合集數據庫，在專業(yè)檢索中設置檢索條件為：TS=(tobacco genome OR tobacco genomics) AND AK=(tobacco OR Nicotiana benthamiana OR Nicotiana rustica L. OR Nicotiana tabacum OR Nicotiana Sylvestris OR N. tomentosiformis) NOT TS=(rice OR cotton OR hornworm)，時間段設置為1991年1月1日至2020年12月31日。進行檢索后對結果進行篩選，以“純文本”格式導出，運用CiteSpace軟件進行數據的過濾與轉換，得到相關的英文文獻共432篇[5]。

1.2 研究工具與方法

CiteSpace軟件能夠對檢索到的文獻進行不同節(jié)點類型的知識網絡分析和信息元提取，再根據信息單元間的聯(lián)系類型和強度進行重構，形成具有不同意義的網絡結構，對其現狀及演化趨勢進行總結和推測。利用信息可視化工具CiteSpace 5.8.R3對檢索到的文獻數據進行知識圖譜挖掘，解析時間跨度、核心作者、科研機構及關鍵詞等，生成直觀的合作網絡圖譜、共現圖譜、時區(qū)視圖及時間線聚類圖譜，概述煙草基因組文獻的現狀、研究歷程及發(fā)展趨勢，為煙草基因組學的研究提供參考。

2 煙草基因組研究文獻現狀

2.1 國內外文獻發(fā)文總體趨勢分析與比較

對1991年至2020年煙草基因組研究的中英文發(fā)文量進行統(tǒng)計，每5年中英文載文量分布如圖1所示。R表示中英文發(fā)文量變化趨勢線的擬合程度，數值越接近1，趨勢線擬合程度越高，圖1兩條趨勢線的R分別為0.98±0.01、0.87±0.01，表明趨勢線可靠。

相關文獻數量的變化能夠直觀地反映出煙草基因組的科研狀況，在2010年以前，我國關于煙草基因組的研究不多，增長十分緩慢。自2010年之后，隨著我國煙草基因組計劃的啟動，相關研究步入快速增長階段，發(fā)文量總體呈指數上升（圖1）。國外有關煙草基因組研究文獻的發(fā)表早于國內，在2010年以前，國外文獻較國內多，但自2010年之后，國內發(fā)文量顯著高于國外。

圖1 煙草基因組研究載文量每5年年度分布圖

2.2 文獻來源國家和機構分析

將CiteSpace 的節(jié)點類型設為“Country”和“Institution”得到發(fā)文國家共現網絡知識圖譜（圖2）。發(fā)文量位于前5位的國家為中國、美國、日本、德國和英國，由復雜交叉的連線可知，各個國家之間的合作關系較為密切。發(fā)文量位于前5位的機構為中國農業(yè)科學院煙草研究所、名古屋大學、羅格斯州立大學、云南煙草農業(yè)科學院和劍橋大學（表1）。綜合發(fā)文量、總被引頻次與中介中心性來看，中國發(fā)文量高，美國文獻影響力大。

圖2 發(fā)文國家機構合作網絡圖譜

表1 國家機構發(fā)文概況

Tab.1 Overview of the publications of national institutions

2.3 文獻作者分析

從作者合作網絡共現圖譜可知，發(fā)文量位居前5位的作者包括童治軍、肖炳光、龔達平、劉貫山和孫玉合，作者之間合作關系緊密（圖3）。

龔達平[6]在2013年與孫玉合和劉貫山等合作，通過現有的基因組數據和EST數據，對煙草超基因家族P450s進行了初步分析。童治軍[7]在2018年與肖炳光等人合作，在煙草全基因組范圍內進行QTL掃描分析。截至本研究數據收集時間點，以上兩篇論文在中國知網上的被引頻次分別達到28次和5次，下載量達到1250次和106次，表明龔達平和童治軍兩位作者及其合作團體在煙草基因組研究領域具有影響力。

注：圓圈的大小表示發(fā)文量，連線代表作者之間的合作關系。

2.4 文獻被引分析

被引頻次排名前10位的煙草基因組文獻如表2所示，前10位煙草基因組文獻中沒有中國學者，且其中7篇均為2010年之前的文獻，可見中國早期的煙草基因組研究水平相對落后。

這10篇文獻的主要研究內容為：（1）Sierro等[8]研究了3個主要煙草品種的高質量基因組草圖，顯示了煙草與其祖先的低分化性以及與其他茄科植物的微同步性。（2）Sugiyama等[9]確定了煙草DNA的完整序列，并研究了線粒體與葉綠體在植物細胞中的遺傳交互作用。（3）Bock等[10]的研究證實編輯是蛋白質發(fā)揮功能必不可少的加工步驟，為煙草細胞RNA編輯的生物學意義提供了直接證明。（4）Odell等[11]研究證明了位點特異性重組系統(tǒng)的有效性，為該系統(tǒng)的開發(fā)提供了基礎。（5）Zoubenko等[12]研究發(fā)現載體是研究轉基因啟動子活性的理想選擇。（6）Endo等[13]證實可以成功地應用于煙草的基因組工程。（7）Chilton等[14]發(fā)現了T-DNA 能夠通過非同源末端連接在斷裂點處插入植物基因組，表明非同源末端連接的方法具有實際應用價值。（8）Skalicka等[15]研究表明異源多倍體對煙草基因組進化有直接影響。（9）Fleischmann等[16]報告了七種核糖體蛋白質的反向遺傳分析，研究了質體翻譯的作用及其對基因組進化的意義。（10）Murad等[17]發(fā)現了煙草父系T基因組的來源，為煙草親子鑒定的研究做出貢獻。

表2 排名前10的高被引文獻

Tab.2 The top 10 cited references with high citation frequency

續(xù)表2

注：*，影響因子為2021年的統(tǒng)計數據。

3 煙草基因組研究熱點分析

3.1 高頻關鍵詞圖譜制作

對科學知識圖譜的高頻關鍵詞進行分析來確定煙草基因組研究領域的熱點。選擇節(jié)點“keywords”對檢索到的中文文獻和國外文獻的關鍵詞進行分析，制作關鍵詞共現圖譜（圖4和圖5）。一般而言，聚類模塊值（Modularity，Q值）在區(qū)間[0，1）內，Q≥0.3意味著劃分出來的結構是顯著的；當聚類平均輪廓值（Silhouette，S值）在0.7以上，聚類是令人信服的[18]。圖4的Q=0.947，S=0.786；圖5的Q=0.8321，S=0.758，表明本次的聚類結構是合理的。

圖4 中文關鍵詞共現圖譜

圖5 英文關鍵詞共現圖譜

3.2 國內外煙草基因組研究熱點及關鍵詞分析

3.2.1 國內煙草基因組研究熱點及關鍵詞分析

中文關鍵詞共現圖譜（圖4）顯示煙草、基因組、葉綠體、基因組編輯、普通煙草和煙草花葉病毒等關鍵詞出現頻次較高，表明在我國煙草基因組的相關研究中，基因組編輯和葉綠體基因組分析等是研究熱點，其中對煙草花葉病毒的研究較多。從相關文獻的發(fā)表來看，近年來，SSR標記、RAPD技術和CRISPR-Cas9基因編輯技術的應用是研究熱點[19-20]。

3.2.2 國外煙草基因組研究熱點及關鍵詞分析

英文關鍵詞共現圖譜（圖5）中出現頻次較多的關鍵詞包括表達（expression）、基因（gene）、植物（plant）和基因組（genome）、煙草（tobacco），表明基因表達是國外煙草基因組研究的熱點，大多數文獻將煙草作為載體來研究其他植物基因在煙草中的表達情況。

國外煙草基因組的研究熱點還包括煙草基因組的整合組裝和抗逆性應用，如2017年德國馬普研究所和海德堡大學的研究，結果表明在煙草全基因組三倍化后，轉座元素快速擴張，煙草基因組擴大，推動了復制基因表達的分化及多個代謝途徑的進化[21]。同時，近年來開展了將葉綠體基因成功“拷貝”到煙草核基因組的研究，獲得了響應高溫脅迫啟動表達的特性[22]。

3.2.3 中英文關鍵詞對比

（1）中英文共同關鍵詞：包括煙草、基因組、基因表達和轉基因煙草?？梢妵鴥韧庠跓煵莼虮磉_和轉基因煙草等方面均有大量研究（表3）。

（2）中英文差別關鍵詞：中文文獻的關鍵詞包括農藝性狀、遺傳分析、基因組計劃、遺傳多樣性、分子標記、基因測定和SSR等關鍵詞，表明國內對煙草農藝性狀的改良、基因組測序、煙草基因編輯技術和煙草基因遺傳十分重視。英文文獻的關鍵詞包括植物、擬南芥、進化、識別、葉綠體、質體轉化等，表明國外煙草質體基因組、煙草作為模式植物及煙草基因組在其他植物中的應用等研究是重點。

表3 中英文重點關鍵詞

Tab.3 Key words in Chinese and English

3.3 國內外煙草基因組研究歷程分析

3.3.1 國內煙草基因組研究歷程分析

時區(qū)圖能夠體現歷年來關鍵詞的演變、研究熱點的更替。歸納整理1991年至2020年間煙草基因組中文文獻的主要關鍵詞并制作中文關鍵詞時區(qū)視圖（圖6）和時間線聚類圖（圖7），圓圈位置表示關鍵詞首次出現的年份，綜合分析后將煙草基因組研究發(fā)展歷程大致分為3個階段：

圖6 中文關鍵詞時區(qū)視圖

圖7 中文關鍵詞時間線聚類圖

（1）2009年之前為初步研究階段。二代測序技術的應用使人們對煙草基因組有了初步的探索和認識，主要在煙草基因的表達、轉基因煙草、遺傳轉化與遺傳多樣性和分子標記等方面。同時，對部分煙草基因組的測序和基因圖譜有了一定研究，但煙草基因組的框架圖以及煙草全基因組信息仍不清楚。

（2）2010年至2016為快速發(fā)展階段。2010年中國煙草基因組計劃正式啟動，“煙草突變體創(chuàng)制、篩選和分析”項目也正式開展[23]。自此，國內煙草基因組研究開始快速發(fā)展。2012年，我國制作了全球第一套煙草全基因組基因芯片，其基因覆蓋度和芯片質量均處于國際領先水平[24]，建成迄今為止規(guī)模最大的煙草突變體資源生物信息庫和應用平臺[25]。中國煙草基因組數據庫不斷被充實，可用于基因組瀏覽和多序列比對等工作?；跓煵莼蚪M信息開發(fā)出的RFLP、SSR 和SNP分子標記在煙草基因定位、分子標記輔助選擇、遺傳圖譜構建、種子純度檢測和種子真?zhèn)舞b定等領域發(fā)揮了重要作用[26]。這些分子標記也推動了煙草品種快速鑒別、煙草分子設計育種、煙草功能基因組和遺傳多樣性等研究的快速發(fā)展[27-28]。

（3）2017至今為深入探索階段。隨著煙草基因組數據庫和煙草基因組圖譜的不斷完善，以及第三代測序技術的應用，我國在煙草基因家族、重測序、基因定位、基因組進化分析和航天誘變育種等方面均有深入研究。周世奇等[29]對煙草突變體材料進行全基因組重測序，為煙草優(yōu)良變異種質資源的研究作出了貢獻。謝小東等[30]開發(fā)的CRISPR/Cas9多基因編輯系統(tǒng)可將多個基因進行有效突變，對煙草功能基因組研究以及多性狀改良有巨大的推動作用。

3.3.2 國外煙草基因組研究歷程分析

（1）2000年之前，國外煙草基因組研究與煙草RNA緊密聯(lián)系。1994年，Vera等[31]研究了煙草小質粒編碼的RNA（RNA）在葉綠體核糖體中的作用。1996年，Kova?ik等[32]為煙草復合基因組中端粒和核糖體重復的物種進化提供了證據。

（2）2000年至2010年，國外煙草基因組研究主要在煙草質體基因組方面。2005年，Sugiyama等[33]確定了煙草的完整線粒體DNA（DNA）序列并進行比較分析。2006年，Stegemann等[34]揭示了煙草細胞質體DNA轉移到細胞核的分子機制。2008年，Masanori等[35]研究表明被納入煙草葉綠體基因組的基因是有用的可持續(xù)標記物。

（3）2010年至2020年，國外煙草基因組的研究應用了各種基因編輯技術。2019年，Ankita等[36]通過CRISPR-Cas9-gRNA系統(tǒng)實現了一對煙草RNA的靶向突變，表明這個系統(tǒng)在植物靶向基因組編輯中是一種簡單有效的方法。2020年，Yanagawa等[37]將蛋白轉移到煙草葉片的活細胞中，證明了在不引入任何外源DNA或RNA的情況下進行植物基因組編輯的可行性。

4 煙草基因組圖譜繪制的發(fā)展及趨勢分析

2011年，我國采用第二代測序技術，先后完成了絨毛狀煙草、林煙草和栽培煙草全基因組圖譜框架圖和精細圖的繪制，有效解決了煙草多倍體、高重復序列基因組的組裝難題，圖譜質量達到國際領先水平[38]。2012年至2016年完成了標記數最多、密度最高的煙草分子遺傳連鎖圖譜[39]。

國外煙草研究開展較早，2003年美國北卡羅來納州立大學農業(yè)和生命科學學院啟動煙草基因組測序計劃，開始繪制煙草基因組圖譜[40]?？鐕鵁煵菁瘓F菲莫煙草公司于2013年至2014年先后完成了絨毛狀煙草、林煙草和栽培煙草（烤煙K326、白肋煙TN90和香料煙BX）的基因組測序草圖，但其測序質量和精度較我國的煙草圖譜差距甚大[41]。英美煙草于2017年采用WGS + Optical Mapping的技術路線，對栽培煙草K326基因組進行了升級完善[42]。

可見，絨毛狀煙草、林煙草和栽培煙草是煙草基因組的主要研究材料（圖4、圖5）。2017年，美國對漸狹葉煙草和歐布特斯煙草這兩個野生煙草基因組進行了第三代測序，完成了基因組的組裝并公開發(fā)表[43]。目前，我國充分利用煙草基因功能元件全景圖、煙草重測序等技術產生的組學大數據，結合三代測序技術，持續(xù)完善煙草基因組圖譜[44]。國外研究人員構建了煙草染色質互作圖譜、染色質開放圖譜和蛋白質-DNA互作圖譜等，系統(tǒng)解析了煙草基因組中的染色質構象與互作、遺傳變異等功能位點[45-46]。

未來，隨著第四代測序技術不斷發(fā)展和完善，以此為基礎展開的RAD簡化基因組測序（RAD-seq）、全基因組關聯(lián)分析（GWAS）等規(guī)?；蚓庉嫾夹g以及大數據支撐下的基因挖掘技術將在煙草基因組研究中得到更多應用[47]。

5 結論

（1）我國煙草基因組研究起步較晚，但發(fā)展迅速。（2）中國與美國的文獻在發(fā)文量和影響力方面占據國際優(yōu)勢地位。（3）煙草基因組測序和轉基因煙草序列分析是國內外的研究熱點。（4）測序技術的進步使煙草基因組圖譜不斷完善，基因編輯技術的發(fā)展使煙草基因組進化分析、航天誘變育種等領域的研究更加廣泛和深入。

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Knowledge domains mapping analysis of tobacco genome based on bibliometrics

ZHANG Yuchan1, TIAN Jiashu1, WANG Xiaoli2, JING Yizhuo1, HUANG Wuxing1, HAN Dan1*, XU Zicheng1

1 College of Tobacco Science,Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China;2 Xiangyang Branch of Hubei Tobacco Company, Xiangyang 441003, Hubei, China

This study aims to explore the current status, development process, key frontiers and research direction of tobacco genome. [Method] Bibliometrics and CiteSpace information visualization software were used to conduct data mining on the publications related to tobacco genome research in two databases, CNKI and Web of Science.(1) The number of publications about the tobacco genome had an obvious increasing trend in recent years. (2) The literature of China and the United States occupied an dominant position in terms of publication volume and influence. (3) Domestic scholars such as Zhijun Tong, Bingguang Xiao and Daping Gong and their teams achieved prominent genomic research results. Foreign scholars such as Sierro had strong academic influence in this field. (4) Benefiting from the development of sequencing technology, tobacco genome research had achieved rich results in gene labeling technology, gene identification and analysis, genome sequencing and genome mapping. At the same time, tobacco genome was widely used in tobacco resistance research, tobacco virus and agronomic trait improvement.China's tobacco genome research has been among the forefront of the world, which has effectively promoted the development of modern tobacco and the cultivation of high-quality tobacco varieties.

tobacco; genome; knowledge domains map; bibliometrics; CiteSpace visualization

Corresponding author. Email：hd1987@henau.edu.cn

河南省科技攻關項目“利用轉錄因子WRKY70提高茄科作物硒元素利用效率的研究”（212102110066）

張玉嬋（1999—），碩士研究生，主要從事煙草營養(yǎng)生態(tài)研究，Email：1165298568@qq.com

韓丹（1987—），博士，講師，主要從事煙草營養(yǎng)生態(tài)研究，Email：hd1987@henau.edu.cn

2021-08-16；

2022-01-14

張玉嬋，田嘉樹，王曉麗，等.基于文獻計量學的煙草基因組研究知識圖譜分析[J]. 中國煙草學報，2022，28（4）.ZHANG Yuchan, TIAN Jiashu, WANG Xiaoli, et al. Knowledge domains mapping analysis of tobacco genome based on bibliometrics[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2022,28(4). doi: 10.16472/j.chinatobacco. 2021.T0140