基于SCI论文的作物转基因育种领域发展态势分析

2016-06-01 | 作者: 颜志辉等 | 标签: SCI论文

转基因育种技术是作物遗传改良的一个重要技术,通过对作物转基因育种领域的SCI论文进行文献计量学、主题研究领域分析 ,以期获得作物转基因育种领域主要研究方向、发展态势以及制约其发展的关键技术。结果表明,中国的发文数量排名第一, 高达2 956篇,约占发文总量的22.1%,篇均被引频次为7.9次。机构中以中国科学院发文最多,其研究涉及一些理想植物植株 模型,抗性、细胞发育、胁迫反应的锌指蛋白功能分析,利用模式植物研究生物代谢、抗病、抗逆性的机制规律等。作物转基 因研究涉及最多的前三种作物分别为水稻、玉米、小麦。该结果也为我国作物转基因育种领域科研技术人员准确把握领域内发 展趋势和关键科学问题提供参考,为科研管理机构制定作物转基因育种领域扶持政策和确定重点扶持领域提供科学依据。

农业转基因生物技术已成为近代历史上发展最快的作物改良技术,已显示出巨大的经济效益、社会效益和生态效益,未来将在满足国家粮食安全、生态安全、人民健康需求等方面发挥不可替代的作用。伴随着新技术手段(如eQTL分析、GWAS分析、RNA¯seq等)的发展,分子标记和QTL研究越来越趋向于高通量新标记开发、QTL精细定位以及新分析方法的应用等方面,进而推动了育种进程。我国在2008年推出的“转基因新品种培育重大专项”更是促进了植物转基因育种研究的迅速发展,2010年我国转基因研究领域发文量超越美国跃居全球首位。据统计,在2014年,全球28个国家的1800万农民种植了1.815亿hm2的转基因作物,其中中国的转基因作物种植面积约为390万hm2,在全球排第六位,主要集中在棉花、木瓜、番茄、甜椒等。

利用文献计量学方法分析预测学科发展态势已成为各学科领域发展态势分析的方法。张薇等对全球1988-2007年发表的转基因作物SCI论文进行了数量和关键词分析,从文献计量学的角度研究了20年来国际转基因作物研究的基本概况、研究领域、国家计研究机构发文比较等,以揭示国际转基因作物研究的特征和发展趋势,反映国际转基因作物研究领域的前沿热点和研究重点。陈大明等对转基因生物技术领域专利基本发展概况进行了分析,转基因微生物技术的专利保护制度和体系已经比较成熟。我国在该领域的研发方面都存在着较大的潜力,而在转基因作物专利方面,以孟山都、杜邦、先正达等跨国企业在全球专利布局上的领先态势明显。王宁以中国期刊全文数据库为检索对象,对2004-2013年转基因大豆、水稻进行文献计量学分析,分析其发展现状及发展趋势,从而为国内相关领域学者提供参考,促进学科可持续发展。

作物转基因研究作为一个发展迅速的学科,目前尚缺乏近几年全球转基因研究领域总体发展态势的相关研究。我国在植物转基因研究总体规模上较为庞大,然而在总体科研水平上仍有很大的提升空间。本研究系统的分析了近五年来植物转基因研究领域的发展概况,总结了关键研究领域和最新技术进展,以期为科研人员更好地开展研究和科技管理部门科学决策提供情报支撑。

1数据来源和分析方法

1.1数据来源本论文分析

数据来源于汤森路透公司ScienceCitationIndexExpanded(SCIE)科学引文索引数据库,分析时间范围定为2009年至2013年,通过主题词检索转基因领域主要技术词、主要农作物名词,并排除动物、昆虫、疾病等无关项,共获得作物转基因育种领域相关文献13494条(检索日期为2015年1月20日),经过人工筛选获得有效文献记录13364条。

1.2分析方法

运用汤森数据分析软件(ThomsonDataAnalyzer,TDA)和美国德雷塞尔大学陈超美团队开发的CiteSpace软件对论文的发文量变化趋势、重要发文国家和机构,以及研究主题、被引频次等进行分析,以期揭示作物转基因育种领域的发展态势,发现该研究领域新出现的研究热点,为确定研究战略和发展方向提供有价值的参考依据。研究主题分析中的研究领域参照WebofScience数据库中的研究领域分类划分,一篇文章归属于多个领域时分别单独计数。

2结果与分析

2.1重点国家发文情况分析

通过对2009-2013年SCIE引文数据库检索,有关作物转基因育种研究论文的总发文量为13364篇,5年间呈逐年平稳增长趋势,由2009年的2413篇增至2013年的2956篇,增长了22.5%,2009-2013年的年发文量平均增长率为5.63%,说明作物转基因育种领域的研究已经形成成熟的研究领域,现在处于平稳发展阶段。

发文量在一定程度上代表了该国家在某个领域研究的活跃程度。在现有数据基础上,按照第一作者或通讯作者对不同国家的发文量进行了数据统计(图1),结果显示,中国的发文数量排名第一,高达2956篇,约占发文总量的22.1%。美国排名第二,约占发文总量的16.6%,位居其后的是日本、德国、印度、韩国、英国、法国、加拿大、西班牙。以上为排名前十位的国家,合计发文数量占发文总数量的比例高达73.8%。

2.2重要研究机构及资助机构发文分析

采用TDA软件进行数据清洗和分析,结果显示,2009-2013年期间世界范围内在作物转基因育种领域研究发文量排名在前20位的机构见表1。排在世界范围内前20位的机构来自美国的有加州大学伯克利分校、美国农业部、康奈尔大学、普渡大学、爱荷华州立大学和佛罗里达大学(按发文量排序)6家,其总发文量约占排名前20(按发文量排序)6家,其总发文量约占排名前20位机构总发文量的29.1%。




来自中国的有中国科学院、中国农业科学院、中国农业大学、华中农业大学、南京农业大学、浙江大学和山东农业大学(按发文量排序),其总发文量约占排名前20位机构总发文量的43.3%。其中中国科学院的研究偏向基础性,及一些理想植物植株模型,抗性、细胞发育、胁迫反应的锌指蛋白功能分析,利用模式植物研究生物代谢、抗病、抗逆性的机制规律等。而其余的机构如中国农业科学院、中国农业大学、华中农业大学等的研究则偏向于应用基础研究,这些机构分别在特定的植物种类上具有较强的研究基础,既包括应用性较强的内容,也包括其擅长的优势领域,涉及生产性能、抗病性、抗旱耐盐等特性及机理研究。

由此可见,中国在作物转基因育种领域的研究发文总量上占有较大优势。从全球的视角看,中国在该领域研究较为活跃,排名前20位的项目资助机构中国有5家,资助项目发文5004篇,占前20个项目资助机构资助的项目发文量的49.0%。由此可以看出我国在作物转基因育种科研方面资助力度巨大。另外国务院在2008年7月审议通过的转基因生物新品种培育科技重大专项提高了农业转基因生物研究和产业化整体水平,也促进了我国在该领域发文量的大幅度提升。

2.3研究主题分析

2.3.1研究领域分析

对作物转基因育种领域2009-2013年期间发表论文所涉及的研究领域进行归类,结果显示,近5年作物转基因育种领域发表论文共涉及106个研究领域(按WebofScience类别进行分类)。前六个研究领域主要分布在植物科学、生物化学&分子生物学、生物化学&应用微生物学、农业、遗传学、细胞生物学领域。其中,以植物科学领域发文量最多,达6496篇,占近5年总发文量的32.2%。其次是生物化学&分子生物学,发文量达2767篇,占总发文量的13.7%。排在第三位的是生物化学&应用微生物学(2214篇),占总发文量的11.0%。第四位是农业(1636篇),占总发文量8.1%。遗传学和细胞生物学的发文量分别为955篇和940篇,分别占总发文量的4.7%和4.7%。除以上6个研究领域,还涉及科学技术-其他主题、食品科学技术、化学、环境科学与生态等研究领域,表明作物转基因育种研究是植物科学、分子生物学、应用微生物学、农业、遗传学和细胞生物学领域研究的重要内容,与食品科学技术、化学、环境科学与生态等研究有所关联,并不断向多学科领域交叉研究发展。

2.3.2基于关键词的研究主题分析

通过对作者提供的关键词进行统计分析,从而了解作物转基因育种的领域研究热点,把握领域研究发展方向,运用TDA软件对频次最高的100个的关键词进行合并、归类统计,发现近几年在作物转基因育种领域的研究主要集中在以下几个方面:

1从研究方法上看,涉及应用最为广泛的为农杆菌介导法,另外基因表达、核糖核酸干扰技术(RNAi)、转录因子、遗传转化、启动子、转座子、基因沉默、RT¯PCR、miRNA、DNA甲基化、RNA沉默、基因流、转录组、基因工程等方面。

2从性状看,近几年的研究关注点主要在作物的耐盐性、抗旱性、抗氧化性、花期、光合成和抗病性等方面。此外,对作物抗逆性即未来的作物品种不仅要具有较高的产量还应具有较好的抗逆性环境的能力,这方面的研究还包括一些作物抗逆性相关物质的作用方式和作用机理研究。抗衰老方面主要针对调控作物叶片衰老的相关基因的蛋白和衰老基因影响作物营养物质沉积的机制进行研究,从而为延缓应激引起的作物叶片衰老进程,提高作物营养成分的沉积,获得更高的产量提供理论基础。风险评估方面包括环境安全评估和转基因作物及其产品的安全评估。热应激导致作物一些基因表达、蛋白质组表达的变化,进而导致一些作物生长或生理状况的异常,并对热应激对作物影响的分子生物学机制进行了深入研究。作物防御病原体、病虫害方面的分子生物学机制。利用转基因技术选育品种增强作物去重金属能力以及重金属影响作物生长的机制等也有相关研究。

3从作物种类看,研究涉及最多的前三种为水稻、玉米、小麦,其后依次为番茄、大豆、烟草、马铃薯、棉花、油菜、苹果、大麦等。

2.3.3主要研究热点分析

运用CiteSpace软件对2009-2013年,每年前100个关键词进行聚类分析发现,作物转基因育种研究热点主要集中在以下几个方面:

1以拟南芥为模式植物进行的抗逆性、抗应激方面(氧化应激、耐盐性、抗寒性、抗寒性、非生物胁迫等)的研究以及围绕超氧化物歧化酶、过氧化氢、脱落酸、转录因子等开展的一些研究。

2传统转基因技术如土壤农杆菌、农杆菌介导转变、基因枪法在遗传转化、器官形成、定量、疾病等方面研究中仍然应用广泛。

3模式植物拟南芥较多地用于植物基因表达方面的研究。4基因流与作物养分沉积、演变进化、激活、转座子交叉出现,且与苏云金杆菌相关的植物抗虫性、除草剂抗性有较强相关性。

5围绕丁香假单胞菌引起的植物病害开展的植物防御、抗病性、超敏应答、防御反应、系统获得性抗性、天然免疫等相关研究,以及水杨酸在其中发挥作用的机理。

6聚合酶链式反应(PCR)、RT¯PCR等转基因基础技术在基因定量、改良型有机体研究中仍然发挥重要作用。

2.4论文被引频次分析

2.4.1总体概况

被引频次是文献计量学中反映论文质量和影响力的一个重要指标。学术界在一定时期内对某一领域关注的重点及关注的程度可通过高被引论文来反映。本研究检索到的13364篇作物转基因育种相关研究论文的总被引频次是137745次,篇均被引频次是10.3次。对作物转基因育种领域发文单篇被引频次进行分析,单篇被引频次排名前20的21篇的论文中,有12篇为研究性论文(article,A),9篇为综述性论文(review,R),如表2所示。

单篇最高被引频次为985次,是来自美国爱荷华州立大学等处的Schnable等发表的Science(Q1类)封面文章,报道了玉米自交系B73的基因组序列测定的结果。研究结果显示,玉米共有10对染色体,约3.2万个基因,23亿个碱基,是目前已测序的植物中基因数量最多的品种。玉米基因组中近85%是由数百个转位因子族所组成的,这些因子影响着着丝点的组成、大小和位置。其对转基因玉米研究的重要性不言而喻,这也是其被引频次高的主要原因。其余20篇文章中综述性文章涉及作物耐受非生物胁迫(如干旱、盐胁迫等)的活性氧和抗氧化机制、光合生物氧化还原调节、植物苯丙烷类代谢途径、增强植物耐盐生物技术途径、植物抗除草剂、调节植物抗逆性的多胺以及植物代谢组学等方面。研究性论文涉及RNA介导的植物染色质基础沉默、拟南芥信息资源:改进的基因注释和新的工具、锌指核酸酶对植物基因进行高频修饰、植物非生物胁迫、拟南芥胚乳的全基因组去甲基化、CHL1作为植物中的硝酸盐感受器、使水稻适应深水的乙烯反应因子、小RNA复合结构作为植物细胞间移动沉默信号、拟南芥细胞次生壁形成过程中的木质素生物合成转录激活因子、理想水稻株的定义以及具有温度依赖性的小麦抗条锈病激酶启动基因等方面。

2.4.2主要国家发文被引频次分析

作物转基因育种领域发文量最多的前10个重要国家和地区所发论文的总被引频次、篇均被引频次和各国单篇最高被引频次分析结果显示,单篇最高被引频次为美国985次,其次是印度,为683次,再次是英国的文章,为353次(表3)。英国发文量虽然比中国发文量低,然而,篇均被引频次却是最高,为17.3次。中国的发文量为世界首位,但是篇均被引频次较低,仅为7.9次。在作物转基因育种领域,美国和日本的发文量、篇均被引频次都处在较高的水平。综上所述,我国作物转基因育种研究方面虽然形成了较大的规模,但是整体研究水平仍有较大的提升空间,在作物转基因育种研究领域形成较强的国际影响力仍需要更大的努力。

2.5来源期刊分析

对某一研究领域发文量的来源期刊进行分析,可以帮助研究人员准确掌握研究领域的核心期刊,为研究人员文献查询、持续关注领域研究热点及发展动态,以及为论文撰写与投稿期刊选取提供专业指导。通过对2009-2013年作物转基因育种研究领域的文献进行分析,结合期刊的发文量和期刊的影响力,在SCI引文数据库中筛选出了收录本领域研究论文影响力较大的前十种期刊为ProcNatlAcadSciUSA、PLoSGenet、PlantCell等,详见表4。频次是指本研究中该期刊收录的文献数量,文章的影响力评分平均值为1,当一个期刊的文章影响力评分高于1则表示期刊所有文章的影响力均高于领域内所有期刊文章的平均影响力。

3讨论

2009-2013年作物转基因育种领域的研究论文数量稳步增长,且中国的发文量一直保持不断升高的趋势,中国在作物转基因育种领域的研究上扮演着重要角色,从全球的视角看,活跃程度很高,我国作物转基因育种研究方面虽然形成了较大的规模,但是整体研究水平仍有较大的提升空间,欲在作物转基因育种研究领域形成较强的国际影响力仍需要不断地提高研究水平和深度,避免大量的重复性研究工作。

在作物转基因育种技术上主要围绕以下几个方面:过表达抗性基因提高作物抗病虫能力,利用RNAi技术在培育转基因抗病毒作物,围绕功能基因、转录因子、信号因子等方面开展抗旱、耐盐碱、抗高温、耐寒等非生物逆境研究,利用全基因组关联分析技术、大规模基因组测序技术等挖掘产量相关基因并进行加强以实现作物抗病、增产等,改良作物蛋白质、氨基酸及维生素等营养品质,改造作物营养调控通路以提高作物对土壤固有养分资源和肥料利用率,microRNA介导的基因调控技术显示出重大应用潜力。

基因编辑是近年来发展起来的可以对基因组完成精确修饰的一种技术,如锌指核酸酶(ZFNs)技术、TALE核酸酶(TALENs)技术和CRISPR/Cas系统,可完成基因定点插入和缺失突变、敲入、多位点同时突变和小片段的删失等,可在基因组水平上进行精确的基因编辑,以实现满足人们需求的作物改良。多基因转化技术通过多基因转化的方法可以将多个基因同时转入植物中,实现多个基因的聚合,表现出产量与营养并重,兼顾健康和环保,是今后转基因研究的一个重要方向。未来作物转基因技术发展要兼顾高效转基因技术和安全转基因技术,另外在规模化遗传转化方面提高转化效率,构建规模化转基因技术体系。

作者信息:颜志辉,郑怀国*,赵静娟,串丽敏,张晓静,谭翠萍,孙素芬
北京市农林科学院农业科技信息研究所

文章链接:http://118.145.16.216/zgnykjdb/CN/abstract/abstract10668.shtml

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来源:中国农业科技导报

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