近年来光合作用领域的前沿和热点研究

蒋甜 许哲平 陈学娟 卢庆陶 杨辉霞 朱学军

摘 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。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。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。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。

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;N04   文献标识码：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）

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]。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。

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）。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CO2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CO2浓度方面发挥了重要作用。近年来，大气中CO2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]。此外，光合作用也是植物抗逆、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。

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。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。

1 研究基础

1.1 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、论文被引频次分析、关键词词频分析、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。VOSviewer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。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。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。

1.2 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25 835篇。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。

2 光合作用领域近三年文献计量分析

2.1 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·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。2000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%。

2.2 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。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。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。

3 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

3.1 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。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術语之间的共现关系。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。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。

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。聚类一（黄色）代表“光能的捕获、传递和转化”，聚类二（绿色）代表“气候变化对光合作用及碳循环的影响”，聚类三（蓝色）类簇代表“非生物胁迫与光合作用”，聚类四（红色）代表“人工光合”。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。

聚类一：光能的捕获、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、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”。

（1）光能的捕获：光能的捕获是指一系列光合色素分子吸收光能并传递到光合反应中心（P680，P700）的过程。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（photosystem II，PSII）。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-色素复合物。光能的捕获是光合作用原初反应的起点，绿色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。外周天线系统即类囊体膜上的捕光色素复合物（LHC），LHCI是光系统I的外周天线，LHCII是光系统II的外周天线。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力[9]。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。

（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。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、Cytb6f复合体传递到PSI复合体，产生NADPH和H+，使电子传递链呈侧写的“Z”字形。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。

（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。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）。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、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。

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。C3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）。PEP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。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。

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、传递和转化的结构基础的关键。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、能源、环境等问题。近年来，随着冷冻电镜技术的发展，光合蛋白复合物的结构不断得到解析。

聚类二：气候变化对光合作用及碳循环的影响

工业革命以来，大气中CO2浓度从280ppm上升到410ppm[10]，增加了45%，导致截至2017年全球平均气温上升了0.8°C[11]。较高的温度不仅会改变植物的热环境，而且随着蒸散动力的增加，未来的大气可能会变得更加干燥[12]。植被作为陆地生态系统碳库的主要成员，通过与土壤（陆地生态系统碳库的第二大成员）、大气（大气碳库）交互构成了完整的陆地生态系统碳循环[13]。

光合作用是CO2从大气中进入生物圈的唯一途径，要准确地预测气候条件的变化对植物生产力的影响，依赖于对控制光合作用的机制的正确理解。光合作用直接或间接地与气候条件密切相关。在C3植物中，Rubisco对二氧化碳的固定是光合CO2同化的第一步，而在正常细胞间CO2浓度下，Rubisco活性远没有被CO2饱和。CO2和O2竞争Rubisco的活性位点，CO2含量的增加有利于羧化作用，不利于氧化作用。气候变化对光合作用的间接影响更为重要。当植物体内水分低于临界值时，植物会通过关闭气孔来减少体内水分的流失，这同时也限制了作为光合作用原料的CO2进入[14]。预计CO2浓度的升高会增加叶片的光合速率，但这实际发生的程度尚不清楚，因为CO2对光合作用的刺激取决于叶片温度、水分和养分的可利用性[15-16]。

聚类三：非生物胁迫与光合作用

一方面，各种非生物胁迫环境降低了植物的光合作用能力。在非生物胁迫条件下，光合作用发生光抑制，产生有害的活性氧，威胁植物的健康和生存。胁迫还会影响光能利用率、降低色素水平、破坏叶绿体特别是光系统的结构。光合作用的暗反应是由酶所催化的一系列化学反应，而温度可直接影响酶的活性[17]。光合作用对高温胁迫高度敏感，通常在其他细胞功能受损之前就被抑制[18]。高温导致叶绿素合成减少，降解加速，类囊体膜解垛堞和膜脂组成的改变，光系统II损伤，Mn簇瓦解，光合作用相关的酶活性降低甚至失活[17， 19]。干旱和盐胁迫对于光合作用的影响有直接的（由于通过气孔和叶肉的扩散限制而导致的CO2有效性降低），也有间接的，例如由多重压力叠加产生的氧化应激，以及光合相关基因的下调[20]。

另一方面，叶绿体在植物抵抗非生物胁迫中也发挥了重要作用。例如，叶绿体可以通过膜结构和光受体感知冷胁迫信号，维持内环境稳态，并通过调控脂质膜结构的状态、光合相关蛋白的丰度、酶的活性、氧化还原状态以及激素平衡，提高植物对寒冷环境的抗性[21]。此外，叶绿体内合成的植物激素如脱落酸（abscisic acid，ABA）、茉莉酸（jasmonic acid）、水杨酸（salicylic acid，SA）以及活性氧（reactive oxygen species，ROS）和氧化还原信号，也是植物胁迫响应的关键组分。

聚类四：人工光合

由表6看出，在聚类四中“人工光合”“CO2还原”“产氢”等语义相关词汇共现频次较高，且与其他关键词的关联较强。光合作用生物体利用太阳辐射，以水和二氧化碳为原料合成能量丰富的化合物，这一过程不仅储存了太阳能，还固定了温室气体二氧化碳。然而，自然系统中大量的能量转换瓶颈限制了光合作用的整体效率，即使光合效率最高的植物其太阳能储存效率也不超过1%[22]。人工光合作用研究的目标是创造低成本的集成系统，将太阳能直接转化为高能量密度燃料。人工光合作用的优势在于可以直接将太阳能进行转换和存储，降低了能量二次转化的损失，且反应的副产物清洁环保。不仅如此，人工光合通过固定二氧化碳和替代能源与化石燃料，未来有望解决由于二氧化碳排放引起的全球变暖这一科学难题。虽然与天然光合作用相比，人工光合的太阳能利用率已经有了很大提升，但其能量转换效率和较高的生产成本尚不足以与化石燃料竞争。

制备和应用高效的可见光活性催化剂是人工光合的关键。表6中“光催化”“石墨相氮化碳”“二氧化钛”“石墨烯”等词共现频次较高，且与其他关键词的关联较强。石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种独特的2D层状非金属材料，因其在制氢、水氧化、有机污染物去除、人工光合作用和CO2还原等方面具有良好的光催化活性，成为光催化研究的明星分子[23]。g-C3N4的能带结构非常适合催化水的裂解过程的产氢和放氧两个关键半反应步骤，并且合成方法简单、热稳定性良好，因此被认为是人工光合中具有广阔应用前景的光催化材料。

3.2 关键词演化分析

利用VOSviewer軟件的Overlay图谱进行光合作用领域关键词演化分析。节点的颜色对应关键词出现的平均年份，颜色越蓝表示关键词出现的时间越早，越红说明关键词出现的时间越晚。由图3看出，光合作用领域近三年来大多数关键词出现时间集中于2018年。titanium-dioxide、g-C3N4、nonocrystals、quantum dots、hydrogen-production、composite photocatalysts等词出现于2017年，表明人工光合相关研究在2017年热度最高。photoinhibition、silicon、antioxidant、drought tolerance、atmospheric CO2、CO2 assimilation、conductance、thermal-acclimation、primary productivity、leaf-area index等词出现于2019年，表明气候变化导致大气中CO2浓度的增加对光合作用造成的影响越来越受到重视。

3.3 关键词密度分析

VOSviewer密度视图可以通过关键词密度展示某个研究领域的研究重点和热点。由图4可以看出，气候变化对光合作用及碳循环的影响、人工光合、非生物胁迫与光合作用是近三年来光合作用领域最受关注的研究方向。

4 总结与讨论

科技术语是反映学科研究内容的基本要素，高被引论文是反应学科领域研究前沿和热点的重要载体。本文利用文献计量的方法，结合VOSviewer软件，对光合作用领域近三年发表的高被引论文中的科技术语进行分析、聚类和可视化呈现，得出如下结论：

一、近年来光合作用的研究热点集中于三个方面：一是自然光合作用的机理探究，如聚类一“光能的捕获、传递和转化”;二是光合作用与环境变化，包括聚类二“气候变化对光合作用及碳循环的影响”和聚类三“非生物胁迫与光合作用”;三是人工光合的应用和发展，即聚类四“人工光合”。近年来，国际上权威的光合作用会议主题聚焦的热点也涵盖了这些研究方向，如2018年首届亚洲-太平洋光合作用大会[24]、2019年光合作用戈登研究会议[25]，以及2022年即将举办的国际光合作用大会[26]。

二、人工光合作用有望成为解决全球气候变化、能量和食物安全问题的有效途径。人工光合相关研究在2017年热度最高。自然光合作用的催化剂是酶，而人工光合作用的光催化剂是半导体材料，高性能光催化剂的研发和制备是提高人工光合效率的关键，因此“光催化剂”成为近年来光合作用研究的前沿，这一点从被引频次排名前10位的高被引论文也可以看出。此外，气候变化导致大气中CO2浓度的增加对光合作用造成的影响越来越受到重视。

三、光合作用领域近三年发表的高被引论文的高频关键词中，有12个关键词也出现在植物科学领域近三年发表论文的排名前20位的关键词中，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热点研究方向同时也是整个植物科学领域关注的重点，也进一步说明了光合作用研究在整个植物科学领域的重要性日益突出。

从术语的角度能够对学科发展态势的分析起到一定的辅助作用，能够一定程度上揭示相关发现，本文通过分析光合作用领域高被引论文中包含的科技术语的频次、共现关系以及随时间的演化情况，揭示光合作用领域近年来的研究前沿和热点。

本研究选取的文献来自Web of Science核心合集，基于英文文献对国际光合作用研究态势进行了分析，缺乏对国内光合作用研究前沿和热点的分析和讨论，这是本研究的局限所在，在今后的研究中将结合CNKI、维普、万方等中文平台的数据对国内光合作用研究态势进行进一步的研究。

注释

① 根据ESI指数（InCites Essential Science Indicators），热点论文是指在过去两年内发表的，截至2020年7/8月内受到的引用的次数在本领域中最优秀的0.1%之列的论文。

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[24] 第一届亚洲-大洋洲光合作用国际会议（AOICP2018）会议通知[EB/OL]. [2020-12-13].http：//lab.ihb.cas.cn/xsjl/201807/t20180704_415130.html.

[25] GRC. Photosynthesis. Gordon Research Conference.[EB/OL]. [2020-12-13]. https：//www.grc.org/photosynthesis-conference/2019.

[26] International Congress on Photosynthesis Research 2022[EB/OL]. [2020-12-13]. https：//www.photosynthesis-research.org/ispr-news/asia-oceania/2019/international-congress-on-photosynthesis-research-2020.

作者简介：

蒋甜（1988—），女，博士。中国科学院文献情报中心资源建设部馆员，从事科学数据管理、科技领域情报分析等相关研究工作，在《图书情报工作》《中国生物工程》、Journal of Data and Information Science等期刊上发表论文。通信方式：jiangtian@mail.las.ac.cn。

通讯作者：许哲平（1980—），男，博士。中国科学院文献情报中心副研究馆员，Data Intelligence和《农业大数据学报》的编委，GBIF（全球生物多样性信息机构）亚洲地区副负责人，CODATA（国际科技数据委员会）工作组成员。长期从事科学数据资源的建设、管理和应用服务等工作，主要研究领域包括生物多样性、文献计量、数字图书馆、地质和数字人文等，主持和参与了科技部、中科院、中国科协创新战略研究院和各类委托项目20余项，在专业领域术语研究、数据组织加工、海量数据处理分析、GIS、数据可视化和知识图谱等方面有丰富经验，发表30多篇论文。通信方式：xuzp@mail.las.ac.cn。