近年来光合作用领域的前沿和热点研究
基于WOS 高被引论文的科技术语分析
蒋㊀甜1㊀许哲平1㊀陈学娟1㊀卢庆陶2㊀杨辉霞2㊀朱学军1
(1.中国科学院文献情报中心资源建设部，北京㊀100190;2.中国科学院植物研究所光生物学重点实验室，北京㊀100093)摘㊀要：科技术语是科技论文的基本要素和重要特征，光合作用研究论文中存在大量的科技术语㊂基于数据驱动的科技术语分析能够对学科领域的动态发展和演变起到较好的揭示和印证作用㊂文章以VOSviewer 软件为主要分析工具，对Web of
Science 数据库中光合作用领域近三年的高被引论文和热点论文中的科技术语进行计量分析和可视化呈现㊂分析比较的结果表明，近年来光合作用的研究热点集中在 自然光合作用的机理探究  光合作用与环境变化  人工光合的应用和发展 三个方向, 光催化剂 成为这几年光合作用领域研究的前沿㊂
关键词：光合作用;VOSviewer；高被引论文；热点研究；科技术语
中图分类号:Q945.11;N04㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :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 photosyn-thesis 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 direc-tions: the mechanism of natural photosynthesis , photosynthesis and climate change , the application and development of artifi-cial 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
基金项目：中国科学院文献情报领域引进优秀人才计划；中国科学院战略性先导科技专项(A 类) 地球大数据科学专项
(XDA19050403)
㊀㊀文献计量学是对科技文献进行定量分析的有效工具[1]，被广泛用于包括植物科学在内的多个领域的研究趋势评价[2-3]㊂李晓曼等[4]基于文献计量分析了1995 2018年植物表型组学研究进展,
徐志周等[5]进行了基于SCI 的植物菌根信号的文献计量分析，王瑞等[6]基于文献计量分析对国际小麦科研实力进行了比较研究㊂
植物科学领域近三年(2017 2019)发表的研究论文中, 光合作用(photosynthesis) 为出现频率最高的关键词(表1)㊂光合作用是地球上最基本的生物过程之一，它为所有高等生物提供氧气，其CO 2固定过程不仅为地球上的生物提供食物来源，也在控制大气CO 2浓度方面发挥了重要作用㊂近年来，大气中CO 2含量的增加以及随之带来的气候变化将对光合作用产生影响，但其影响的具体机制尚不明确，引起研究人员的广泛关注[7-8]㊂此外，光合作用也是植物抗逆㊁作物高产等研究领域关注的重点，光合作用的研究对于解决全球气候变化对
6
表1㊀植物科学领域近三年论文关键词Top20
序号关键词翻译词频1photosynthesis光合作用1337 2phylogeny系统发生947 3gene expression基因表
达926 4drought干旱911 5abiotic stress非生物胁迫847 6climate change气候改变786 7genetic diversity遗传多样性741 8new species新物种724 9oxidative stress氧化胁迫641 10transcriptome转录组633 11salt stress盐胁迫630 12yield产量573 13drought stress干旱胁迫560 14reactive oxygen species活性氧557 15salinity盐度548 16antioxidant抗氧化剂516 17germination种子萌发513 18auxin生长素503 19biodiversity生物多样性497 20RNA-seq RNA测序495注：文献来源于Web of Science核心合集中植物科学领域2017 2019年发表的所有经过同行评议的文献(类型为review和arti-cle)，累计84342篇㊂关键词排序为去除语义过于宽泛的词(如plant)及物种名称(如Arabidopsis㊁rice)等词汇之后的排序㊂粮食产量和环境变化的影响至关重要，人工光合效率的提高为能源问题的解决提供了有效途径㊂作为专业性较强的学术领域，光合作用研究包含了大量科技术语㊂本文运用文献计量学和知识图谱的方法，基于WOS中高被引论文中的科技术语，对光合作用领域近三年的研究热点和前沿进行分析和探测，以辅助科研人员快速制定和调整科研方向，也为科研管理部门进行学科布局和战略选择提供决策依据和参考㊂
1㊀研究基础
1.1㊀研究工具及研究方法
本文利用了文献计量的方法，从年度发文量分析㊁论文被引频次分析㊁关键词词频分析㊁关键词共现分析等多个维度对光合作用领域的文献进行分析和挖掘，并基于VOSviewer软件进行可视化呈现㊂VOSvie
wer是基于JAVA程序编写的，可以对知识领域进行分析与可视化的开源软件㊂其分析对象是科学文献，特别是利用了WOS的引文数据来进行交互式的可视化分析㊂本研究用到的文献计量可视化工具主要为VOSviewer1.6.15版本软件㊂
1.2㊀数据收集
数据来源选取Web of Science核心合集中光合作用研究领域近三年(2017 2019)的文献，检索式为:TS=(''photosynthesis''or''photosynthetic'')，共有论文25835篇㊂将过滤结果依据设置为领域中的高被引论文及领域中的热点论文①，累计491篇，检索时间为2020年10月14日㊂
2㊀光合作用领域近三年文献计量分析2.1㊀年度发文量分析
光合作用的研究有着悠久的历史，早在1771年，英国化学家约瑟夫㊃普利斯特列(J.Priestley)就通过密闭钟罩实验证明了植物可以 净化 空气，这是光合作用研究的开端㊂2000年以来，光合作用领域发文量呈现持续增长态势，从2000年的2995篇增至2019年的9441篇，年均增长率为6.23%㊂
2.2㊀高被引论文分析
论文被引频次能够在一定程度上反应论文的受关注程度，通过对领域内的高被引论文进行分析，可以揭示该研究领域的研究前沿和热点方向㊂表2列出了Web of Science核心合集中收录的光合作用领域近三
年排名前10位的高被引论文㊂由表2可以看出，这10篇高被引论文全部与 光催化剂 的研究相关，说明 光催化剂 成为近年来光合作用领域关注的前沿方向㊂
16
图1㊀光合作用领域年度发文量分析
表2㊀光合作用领域近三年被引频次排名前10位的高被引论文
序号
标题
被引频次年份
发表期刊
1Earth-abundant Catalysts for Electrochemical and Photoelectrochemi-cal Water Splitting
11052017NATURE REVIEWS CHEMIS-TRY
2
A Review on g-C 3N 4-based Photocatalysts
1007
2017
APPLIED SURFACE
SCI-
ENCE
3
Alkali-assisted Synthesis of Nitrogen Deficient Graphitic Carbon Ni-tride with Tunable Band Structures for Efficient Visible-Light-Driven Hydrogen Evolution
5582017ADVANCED MATERIALS
4Surface Modification and Enhanced Photocatalytic CO 2Reduction
Performance of TiO 2:A Review
551
2017APPLIED SURFACE
SCI-
ENCE
5Metal-Free Photocatalyst for H 2Evolution in Visible to Near-Infrared
Region:Black Phosphorus /Graphitic Carbon Nitride
437
2017JOURNAL OF THE AMERI-CAN CHEMICAL SOCIETY
6Hierarchical Porous O-Doped g-C 3N 4with Enhanced Photocatalytic
CO 2Reduction Activity
426
2017SMALL 7Photoelectrochemical Devices for Solar Water Splitting-Materials and
Challenges
3792017CHEMICAL SOCIETY
reactive oxygen species名词解释RE-
VIEWS
8Direct Z-scheme g-C 3N 4/WO 3Photocatalyst With Atomically De-fined Junction for H 2Production
3352017APPLIED CATALYSIS BEN-VIRONMENTAL
9A Direct Z-scheme g-C 3N 4/SnS 2Photocatalyst with Superior Visible-light CO 2Reduction Performance
3342017JOURNAL OF CATALYSIS 10
Direct Z-scheme Photocatalysts:Principles,Synthesis,and Appli-cations
307
2018
MATERIALS TODAY
2
6
3㊀基于高被引论文及热点论文的光合作用领域文献聚类分析
3.1㊀关键词共现分析
共词分析方法利用文献集中词汇对或名词短语共同出现的情况，来确定该文献集所代表学科中各主题之间的关系㊂科技文献中出现的关键词绝大多数属于科技术语的范畴，共词分析方法可以有效分析科技术语之间的共现关系㊂通过VOSviewer软件对光合研究领域近三年发表的高被引论文及热点论文中出现的关键词进行聚类分析㊂将WOS核心合集中光合作用领域2017 2019年发表文献的关键词按照词频排序，去除语义过于宽泛的词汇(如plant等)，以及表述物种名称的词汇(如Arabidopsis 等)后，选取共现频次高于5的关键词进行聚类分析(共216个词)，得到如图2所示的聚类图谱
㊂
图2㊀光合作用研究领域关键词共现图谱
㊀㊀由图2看出，根据关键词聚类，近三年光合作
用研究热点集中于四个方向㊂聚类一(黄)代表
光能的捕获㊁传递和转化 ，聚类二(绿)代表
气候变化对光合作用及碳循环的影响 ，聚类三
(蓝)类簇代表 非生物胁迫与光合作用 ，聚类
四(红)代表 人工光合 ㊂这里将各个类簇中关
键词按照共现频次排序，选取排名前30位的关键
词进行解析㊂
聚类一：光能的捕获㊁传递和转化根据表3中
的关键词，聚类一主要涉及 光能的捕获㊁传递和转
化过程中叶绿体基因表达调控研究及晶体结构解
析 ㊂
(1)光能的捕获：光能的捕获是指一系列光合
素分子吸收光能并传递到光合反应中心(P680,
P700)的过程㊂放氧光合生物有两个光系统，分别
是光系统I(photosystem I,PSI)和光系统II(photo-
system II,PSII)㊂两个光系统都是由各自的核心复
合物和外周的捕光蛋白复合物(light-harvesting
complex,LHC)组成的多亚基蛋白-素复合物㊂
光能的捕获是光合作用原初反应的起点，绿植物
中光能的捕获主要依赖于光系统I和光系统II的
核心天线系统以及外周天线系统㊂外周天线系统
即类囊体膜上的捕光素复合物(LHC),LHCI是
光系统I的外周天线,LHCII是光系统II的外周天
线㊂此外，在状态转换过程中,LHCII可以从光系
统II移动到光系统I来平衡光系统之间的捕光能
36
表3㊀ 光能的捕获㊁传递和转化 方向共现频率
排名前30位的关键词
关键词中文翻译共现
频率
关联
强度
photosystem-II光系统II35137 gene-expression基因表达1670 protein蛋白1348 chloroplast叶绿体1250 expression表达1146 gene基因1141 crystal-structure晶体结构1028 photoinhibition光抑制852 identification识别840 C-4photosynthesis C-4植物光合作用831 photosynthetic elec-
tron-transport光合电子传递824 acclimation适应环境㊁气候742 photosystem-I光系统I732 transport转运724 reactive oxygen spe-
cies活性氧649 singlet oxygen单线态氧630 cycle循环624 energy-transfer能量传递620 fluorescence荧光615 ascorbate peroxidase抗坏血酸过氧化物酶527 flavodiiron proteins FDP蛋白524 flucuating light波动的光523 water-water cycle水-水循环522 energy-balance能量平衡522 complex复合物518 high-light高光518 concentrating mech-
anism浓缩机制518 in-vivo体内517 dehydrogenase-
like complex脱氢酶复合物513 light-harvesting com-
plex捕光素复合物512
力[9]㊂高光下,LHCII可以耗散掉多余的光能，在光保护过程中发挥作用㊂
(2)光能的传递：光合电子传递链是指类囊体膜上由一系列相互衔接的电子传递体组成的电子传递总轨道㊂主要的电子传递途径是由希尔等人于1960年提出并经后人修正的 Z方案 (Z scheme)，即H2O的光解产生的电子，经过PSII复合体㊁Cytb6f复合体传递到PSI复合体，产生NAD-PH和H+，使电子传递链呈侧写的 Z 字形㊂此外，还有环式电子传递链和假环式电子传递链两种电子传递方式㊂
(3)光能的转化：叶绿体在光合电子传递的同时，通过光合磷酸化过程使ADP和Pi形成ATP，为后续的暗反应阶段提供还原力㊂当光量子强度大于光量子的利用量时，光能不能够被植物完全吸收，且多余的光量子会对叶片产生破坏，导致光合效率下降，产生光抑制(photoinhibition)㊂对于多余的光量子，植物体内有两道防线，第一道防线是阻抑机制，即将多余的光能以热的形式耗散掉；第二道防线是清除机制，即通过抗氧化酶系统㊁类胡萝卜素等清除活性氧(包括单线态氧和过氧化氢)等光的有毒产物㊂
暗反应阶段，利用光反应阶段生成的ATP，通过卡尔文循环固定CO2，最后生成储存能量的有机物，不仅为地球上的生物提供食物来源，也调控了大气中CO2浓度㊂C3植物只有1次CO2固定(通过RuBP羧化酶),C4植物有2次CO2固定(通过PEP羧化酶和RuBP羧化酶)㊂PEP羧化酶对CO2亲和力很高，通过C4途径转移CO2，使鞘细胞CO2浓度比空气中高20倍左右，起CO2泵的作用㊂所以，一般情况下,C4植物的CO2同化速率显著高于C3植物，因此C4植物在碳循环中起着非常重要的作用，在大气中CO2浓度升高的当下,C4植物光合作用尤为引人关注㊂
蛋白结构是生理功能的内在基础，晶体结构的解析是理解光能捕获㊁传递和转化的结构基础的关键㊂结构的解析可以帮助我们认识光合作用的工作原理，从而更好地利用光合作用解决人类面临的粮食㊁能源㊁环境等问题㊂近年来，随着冷冻电镜技46

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