基于VOSviewer的叶际微生物研究现状可视化分析

吴 松，周 甜，杨立宾,，江云兵，潘 虹，刘永志，杜 君

（1黑龙江省科学技术情报研究院，哈尔滨 150028；2黑龙江省科学院自然与生态研究所，哈尔滨 150040；3黑龙江呼中国家级自然保护区，黑龙江呼中 165038）

0 引言

叶际微生物是一个庞大且种类丰富的群体，包括细菌、丝状真菌、酵母和古细菌等[1]。其中叶际细菌数量最多[2]，丝状真菌大都以孢子形式短暂定殖于叶面[3]，而酵母菌则相对较为活跃[4]。由于叶际是一个动态且开放的环境，叶际微生物的定殖会受到碳和氮等营养物质的限制，以及紫外线辐射[5]、季节[6]和地理位置[7]等影响。尽管叶际微生物生存受许多因素的限制，但仍发挥着重要的生态功能，研究发现叶际微生物与植物有着密切联系，叶际微生物可促进植物的生长[8]、对生长环境进行修复[9]、参与植物健康调节[[10-11]等。因此，叶际微生物进一步提高了经济植物的产量，促进了农业发展，推动了农业微生物功能最大化的实现。

文献计量学是基于数理统计的方法，通过定量分析，研究科技文献的分布特征、数量情况以及相关规律，评价和预测某一学术领域的现状和发展的交叉学科[12]。文献计量具有客观性、形象化、宏观性等特点，被广泛应用于教育[13]、医学[14]、农业[15]等各领域。其中在农业领域，汪小飞等[16]利用该方法分析了小麦抗倒伏国内外的研究现状和前景，王堽等[17]系统梳理了甜菜的研究现状及趋势，李嘉慧[18]对国内外对茶叶农药残留的研究进行了相关统计和阐述。目前国内外虽已对叶际微生物开展了相关研究，但基于文献计量方法对该领域的研究现状和发展趋势的相关分析还未见报道。

笔者基于文献计量分析方法，以中国知网和Web of Science核心合集数据库为数据源，以叶际微生物相关研究文献为研究对象，对叶际微生物研究领域进行文献计量分析，利用可视化软件VOSviewer呈现叶际微生物研究领域的合作视图和共现视图，分析其研究现状及热点，以期为未来叶际微生物的研究提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

笔者以中国期刊全文数据库(CNKI)和科睿唯安的Web of Science核心合集数据库(WOS)为数据来源进行相关论文检索。将CNKI检索到的论文划为中文文献，WOS检索到的论文划为英文文献，以此来分析叶际微生物领域的研究情况。

1.1.1 CNKI论文检索检索式为“SU%=(‘叶际’)AND(‘微生物’)”，搜索时间为1991—2021年。经人工筛选，排除会议论文、新闻报纸类型等以及一些无关论文，得到期刊论文和学位论文共114篇，将文献以EndNote格式导出。

1.1.2 WOS论文检索 检索式为“TS=((“phyllosphere*”)AND(“microorganism*”OR“microbe*”))AND PY=(1951-2021)”，文献类型为“Article”。经人工筛选排除无关论文，得到521篇论文，以Refworks格式导出。

1.2 研究方法

根据普莱斯定律[19]明确高频关键词范围和核心作者阈值[式(1)]。笔者运用VOSviewer 1.6.17和Pajek软件进行相关分析，对来自CNKI和WOS数据库中与叶际微生物相关的论文进行图谱的绘制和调整。

式中，Mk表示核心关键词的最小出现频次，Ma表示核心作者的最小发文量，Nmax表示纳入分析的文献中关键词的最高频次或作者的最大发文量。

2 结果与分析

2.1 发文概况

论文发文量能表现叶际微生物研究状况，CNKI数据库的114篇文献和WOS核心合集数据库的521篇文献的年度发文量分析统计结果如图1。总体而言，英文文献年发文量远高于中文文献，且增长趋势更加明显。分别于1991年和1992年最早开始对叶际微生物进行报道，年发文量均为1篇，直至2007年关于叶际微生物的研究仍较少，中、英文文献均不多，因此1991—2007年处于初始阶段；2008—2017年处于缓慢增长阶段，叶际微生物相关研究逐渐引起学界关注；2018—2021年中、英文文献数量迅速增长，于2021年分别发文22篇和99篇，达到现阶段的最大值，并且未来具有持续增长的趋势，说明叶际微生物的相关研究已经受到了更加广泛的关注。

图1 叶际微生物相关文献的年度分布

2.2 国家合作情况

在VOSviewer中设置国家最小发文量为5，得到国家合作网络共现图，如图2所示。发文量排在前列的是美国(USA)、中国(China)和德国(Germany)；其次是加拿大(Canada)、澳大利亚(Australia)、意大利(Italy)、奥地利(Austria)等。从合作紧密程度上看，中国与澳大利亚之间的连线最粗，表明中国与澳大利亚的合作最为紧密；其次，中国与美国、英国等国家，德国与奥地利、美国等国家的合作也相对紧密。从合作国家数量上看，美国与其他国家的合作最多，其后依次为德国、法国、意利亚、中国等国家。由此表明，虽然中国在该领域的研究发挥着重要的作用，但中国仍需加强与其他国家的合作。

图2 叶际微生物国家合作视图

2.3 机构合作情况

CNKI中排名前5位的高发文量机构分别为中国科学院生态环境研究中心（11篇）、长江大学（7篇）、贵州省烟草科学研究院（7篇）、云南农业大学（7篇）、浙江大学（7篇）。经统计，WOS中纳入分析的英文文献中共涉及716个机构，其中排名前5位的高发文量机构分别为中国科学院（Chinese Academy of Sciences，63篇）、中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences，33篇）、格拉茨技术大学（Graz University of Technology，13篇）、美国农业部农业研究局（United States Department of Agriculture-Agricultural Research Service，11篇）、加州大学戴维斯分校（University of California,Davis，11篇）。VOSviewer中设置机构最小发文量为5，得到机构合作聚类共现图，共有5个团队（图3）。其中中国科学院、康奈尔大学(Cornell University)与其他的机构合作最多，其次是中国科学院大学、美国农业部农业研究局等。由此可知，中国科学院发文量高且与其他机构合作较多，在叶际微生物研究领域具有权威性和引领作用。

图3 叶际微生物研究机构合作图谱

2.4 文献作者分布

CNKI中纳入分析的114篇论文包含343位作者，其中发文量大于Ma的作者为核心作者。经统计，白志辉发文数量最多（8篇），则Ma为2.12左右。因此，核心作者发文量≥3篇，CNKI纳入分析的论文中核心作者共24位。运用VOSviewer软件构建核心作者共现网络，得到核心作者共现密度视图（图4）。密度视图中颜色深浅与合作紧密程度呈正相关，即颜色越深代表作者间的合作越紧密。图中24个核心作者形成7个聚类，其中，汪汉成和白志辉所在聚类颜色较深，但与其他聚类较为分散，表明这2个团队内部合作较为紧密，然而不同团队之间却缺乏合作。

图4 CNKI中叶际微生物核心作者密度视图

WOS中纳入分析的521篇论文包含2219位作者，经统计，纳入分析的论文作者中白志辉(Bai Z H)发文量最大为19篇，经计算Ma为3.26左右。遵循取整原则，作者发文量≥4篇为核心作者。WOS中纳入分析且符合条件的核心作者有58个，其中发文量≥10篇的作者有白志辉（19篇）、庄国强（Zhuang G Q，14篇）、金德才（Jin D C，13篇）、Berg G（11篇）、Kembel S W（11篇）。VOSviewer软件分析得到核心作者共现密度视图（图5）。图中58个核心作者形成21个聚类，其中白志辉和金德才2人所在聚类颜色较深且距离较近，表明这2个团队合作较为紧密；而陈青林(Chen Q L)所在聚类颜色虽然较深，但与其他聚类较为分散，表明其所在团队内部合作较为紧密，然而却与其他团队缺乏合作。总体上看，不同聚类在一定程度上仍较为分散，表明不同团队间的合作仍较少。

图5 WOS中叶际微生物核心作者密度视图

2.5 关键词分析

关键词是文章核心内容最直观的体现，对关键词进行统计和分析能更好地了解一个研究领域的热点和趋势[20]。

2.5.1 高频关键词分析 为更好地把握叶际微生物的研究热点和趋势，对其高频关键词进行具体分析。经统计，CNKI中“叶际微生物”出现频次最高为34，则Mk为4.37左右。因此，高频关键词频次≥5，CNKI纳入分析的文献中高频关键词共14个（表1）。WOS中“phyllosphere”出现频次最高为323，则Mk为13.46左右。因此，高频关键词频次≥14，WOS纳入分析的文献中高频关键词有73个，其中频次前15的关键词共16个（表2）。

表1 CNKI中叶际微生物研究高频关键词

表2 WOS中叶际微生物研究频次前15位的关键词

由表1可知，中文文献中的高频关键词除主题词“叶际微生物”和“叶际”外，还包括“高通量测序”、“多样性”、“群落结构”和“微生物多样性”等关键词。由此可见，其侧重于叶际微生物多样性和群落结构的研究，高通量测序和磷脂脂肪酸法是主要的研究技术。相较于叶际真菌，叶际细菌是当下研究最主要的微生物类群。此外，还涉及微生物在叶际的定殖、植物气孔—叶际微生物免疫互作等的研究。

由表2可知，英文文献中的高频关键词除主题词叶际(phyllosphere)外，频次较高的关键词有多样性(diversity)、群落(community)、细菌(bacteria)和微生物组(microbiome)等。由此可见，纳入分析的英文文献也侧重于叶际微生物多样性、群落和叶际细菌的研究。此外，还涉及对叶际微生物与植物的相互作用的研究，例如：叶际微生物对植物生长的促进、生物防治等。

综上，叶际微生物的多样性、群落结构是中英文文献共同的研究热点，且对叶际细菌的研究热度高于叶际真菌。但对叶际微生物功能的研究重点存在一定的差异，中文文献注重对叶际微生物与植物叶片气孔免疫的研究，而英文文献则倾向于叶际微生物与植物互作以及生态功能的研究。

2.5.2 关键词聚类分析 由于CNKI中纳入分析的高频关键词较少，对其进行聚类分析可能会存在一定的误差。因此在VOSviewer软件中设置关键词最小出现频次为2，对中文文献的关键词进行聚类分析。在聚类视图（图6）中，方框越大表示该关键词出现的频次越多。此外，相同颜色为同一聚类，不同颜色代表不同聚类。

由图6可知，CNKI最小出现频次为2的关键词共80个，形成了12个聚类。其中，红色和浅蓝色聚类突出了近年来叶际微生物研究涉及磷脂脂肪酸和16S rRNA的主要研究技术，均涉及了群落结构组成和多样性。一方面，主要探究农药使用或残留对作物叶际微生物生物量、群落结构和多样性的影响；另一方面，注重结合叶际和根际的微生物对外界因素的群落变化，有助于进一步明确植物与微生物、微生物与微生物之间的相互作用；同时，病原菌对植物的危害作用已引起了学者的关注。粉色、黄色、深蓝色和紫色的聚类均涉及植物病害，且主要研究对象为水稻、黄瓜和柑橘等农作物以及烟草等经济作物，研究结果认为植物病害会对叶际微生物的群落和多样性产生影响，进而为筛选优势菌属进行植物病害防治提供依据[21]。绿色和紫色的聚类则利用有益微生物对病原菌的抑制作用来开展生物防治的研究，并且在防治烟草野火病上的研究证明拮抗菌能有效抑制病原菌对植物的侵害[22]。棕色的聚类主要围绕重金属对周边植物叶际和根际微生物群落结构和多样性的影响，表明叶际和根际微生物对不同重金属的耐受性存在差异[23]，且不同植物对不同重金属的净化能力不同[24]。

图6 CNKI中叶际微生物的关键词聚类视图

对WOS中的73个高频关键词进行聚类分析，得到聚类视图。由聚类图（图7）可知，WOS中高频关键词形成了5个聚类。其中，红色聚类主要涉及叶际细菌群落结构、多样性以及功能的探究。该聚类主要运用焦磷酸测序技术对拟南芥、生菜等植物进行相关探索，Rastogi等[25]的研究表明，平均每克生菜组织中含有105～106的细菌，其中核心细菌群落以变形杆菌(Proteobacteria)、厚 壁 杆 菌 (Firmicutes)、拟 杆 菌(Bacteroidetes)和放线菌(Actinobacteria)4门为主。在功能方面，固氮菌参与固氮[26]、芽孢杆菌(Bacillus)能促进植物生长[27]，然而叶际细菌中含有的丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae)[28]、大肠杆菌(Escherichia coli)[29]等病原菌却会对植物产生负面影响。绿色聚类围绕叶际微生物群落结构和多样性展开了研究，主要利用高通量测序和宏基因组学的研究方法来获取微生物群落的分类和功能方面的信息。该聚类研究了叶际微生物应对环境变化的反应，其主要针对农药[30]、抗生素[31]和重金属[32-33]等土壤污染以及空气污染等[34-35]常见环境胁迫，且研究均发现这些常见污染会导致微生物群落结构和多样性以及特定基因丰度的变化，而这些研究结果也有助于了解叶际微生物在生态系统中的潜在功能作用。蓝色聚类主要探讨叶际和根际微生物群落结构和组成，进一步揭示了植物与微生物的相互作用。一方面，微生物会影响其宿主，如微生物的定殖会促进植物的生长[36]，有益微生物可以有效防治疾病[37]，能为生物防治提供指导依据；另一方面，植物自身特性以及周围的环境同样会对微生物的群落和多样性产生影响[38]。黄色聚类的研究对象为植物内生菌，主要研究了内生菌与宿主植物之间的关系。首先，内生菌被证实能够生产纤维素酶、果胶酶和淀粉酶等胞外酶利于植物生长，并作用于多个方面[39]。其次，在病害方面，内生菌显示出抗病原菌活性[40-41]，具有极大的生物防治潜力。紫色聚类聚焦于叶际微生物组在生态系统中的作用，主要以森林为依托进行叶际微生物多样性及生态功能的研究。分子生物学研究表明，不同的植物叶际含有不同的微生物群落[42]，进而表现出在不同生态系统中行使功能的差异。植物个体与其相关的微生物组联系紧密[43]，以微生物组为研究单位不仅有利于揭示叶际微生物与植物间的相互作用，还有助于了解生态系统对全球气候变化的响应。

图7 WOS中叶际微生物的高频关键词聚类视图

综上，叶际微生物领域的研究技术大致相同，均主要应用了磷脂脂肪酸图谱分析技术和高通量测序技术等。同时，该领域的研究方向大致相近，均涉及群落结构、多样性及功能特性的研究。不同的是，中文文献虽倾向于植物病害、生物防治、重金属污染等方面的研究，但相关研究仍较少；而英文文献相较于中文文献关于叶际微生物的研究更为广泛且深入，着重关注了包括生物防治、植物病害、重金属污染等在内的植物与微生物、微生物与微生物、微生物与环境间的相互作用。

3 结论

笔者通过统计学方法和VOSviewer1.6.17软件对CNKI数据库中114篇文献的和WOS核心合集数据库中的521篇文献进行了可视化分析，更为直观地描述了叶际微生物的研究现状和热点，得出以下结论。

（1）在年发文量方面，1991—2021年叶际微生物领域发文量呈上升趋势，2018—2021年尤佳。在各国发文量方面，目前美国在叶际微生物研究领域处于领先地位，其次是中国。在研究机构发文量方面，中国科学院对叶际微生物相关研究贡献最大。

（2）在国家间的合作方面，中国与澳大利亚的合作最为紧密，美国合作的国家最多。在机构合作方面，中国科学院、美国农业科学研究院与其他的机构合作最多。在作者合作方面，CNKI中以汪汉成和白志辉所在的2个团队内部合作紧密，但团队间缺乏合作；WOS中以白志辉和金德才2人所在的团队间有合作，其他作者所在的团队仅团队内部合作较为紧密，团队间合作有待进一步的强化。

（3）由关键词分析可知，叶际微生物的多样性、群落结构是叶际微生物领域的研究热点和研究方向。然而在研究方向上，中文文献侧重于在植物病害、生物防治、重金属污染方面的研究，而英文文献相较于国内则更为深入地关注了微生物与植物、微生物与微生物、微生物与环境的相互作用。

4 展望

中、英文文献对叶际微生物研究的侧重方向有一定的差异。中文文献倾向于对植物病害、生物防治的研究，而英文文献则更为深入进行了微生物与宿主植物、微生物与微生物、微生物与环境间的互作研究，进一步探究了叶际微生物应对全球变化的潜力和作用。研究发现，叶际中含有甲烷营养细菌，该叶际细菌以甲烷为碳和能量的来源[44]，对减少温室效应具有积极作用。豌豆和蚕豆的叶片上含有烃类分解细菌，在含油环境中生长的豆科植物中含有更多这样的细菌，这些叶际细菌有可能会消耗来自于大气中的碳氢化合污染物，对挥发性烃类污染物的植物修复具有重要意义[45]。此外，叶际微生物通过与宿主植物或者其他微生物的相互作用机制促进生态系统对全球变化的适应。然而，中文文献对这方面的研究还不够重视且深入，因此在叶际微生物领域未来的研究中应该有所倾向。

当前，中、英文文献在叶际微生物的研究中对叶际细菌研究相对较多，对叶际真菌的研究相对较少。这可能是因为叶际细菌数量庞大且种类丰富，是叶际微生物最主要的菌群。目前为止，细菌是叶际上数量最多的定殖者，平均每平方厘米的叶面上大约可容纳106～107个细菌细胞[4]；研究发现单个热带树木的叶子含有400多个细菌分类群[46]；雌雄异株的青杨含有51个科90个属的叶际细菌[47]。然而，叶际丝状真菌作为叶子上最丰富的真菌，一般以休眠的孢子而不是具有活性的菌丝体出现[48]，并且可侵染植物的丝状真菌对叶际可生存环境的要求也极为苛刻，只有在强烈变化的温度、湿度和光照的条件下才能保持其活性[49]。因此，相对丰度和活性较高的叶际细菌更容易得到学者的青睐。

关于叶际微生物的研究已取得许多成果，但主要针对的是处于生长期的植物新鲜叶片上的叶际微生物，对凋落物分解时叶际微生物的群落变化特征和功能特性研究较少。作为生态系统中的分解者，细菌和真菌群落与枯落物的分解过程密切相关[50]。Xu等[51]发现，在热带枯落叶分解初期细菌群落在叶片类型上具有较高特异性，到分解后期细菌群落则趋于相似，以变形杆菌门为主；真菌群落在分解初期以曲霉菌属(Aspergillus)为主，后期则以链格孢属(Alternaria)为主。而Tláskal等[52]在温带森林凋落物的分解研究中发现，细菌在活叶期以变形菌门、放线菌门、拟杆菌门以及酸杆菌门(Acidobacteria)为主，而在叶片衰老后，叶际细菌迅速被其他类群取代；真菌群落在活叶和衰老叶子中以子囊菌门(Ascomycota)为主导，而在凋落物分解后期担子菌门的相对丰度逐渐升高[53]。由上可知，处于不同气候带的生态系统拥有不同的植被类型和气候条件，从而使凋落物的组成具有一些差异，且可能会影响微生物群落的动态变化。因此，加强对全球不同气候带凋落物与微生物群落变化的研究将有利于明确微生物驱动的凋落物养分归还的机理，且在预测森林生态系统应对全球变暖方面具有重要意义。

本研究主要采用手动筛选的方式，对文献的检索和分析中可能存在一些不足和缺漏。但根据研究结果可清晰看出，目前关于叶际微生物的研究具有一定的趋热性，对某些非热点则缺乏研究。因此，深入对叶际微生物与植物、微生物、环境相互作用的研究，明确叶际微生物在不同气候带枯落叶分解过程中群落变化特征、菌群贡献以及作用机制等有利于推动对这一领域的研究，进而为微生物参与物质循环、适应全球性变化提供理论依据。