天女木兰研究热点及展望——基于Citespace的可视化计量

李金航,葛丽丽,杜凤国,吕重阳,林洺锋,刘羿辰,孙新宇,王 猛,张启昌

(北华大学林学院,吉林 吉林 132013)

受“生物多样性保护”“珍稀濒危物种保护”“美丽中国”“森林旅游”“公园城市”等主题和理念的影响,濒危野生植物扩繁、就地迁地保护研究和珍稀树种野外回归项目等在国内相继开展.天女木兰(Magnoliasieboldii)也称天女花、小花木兰,木兰科(Magnoliaceae)木兰属(Magnolia)落叶小乔木,为第四纪冰川期孑遗的珍贵“植物活化石”、国家Ⅲ级珍稀濒危植物、吉林省一级保护植物[1-3].天女木兰呈断续式岛屿状自然分布,分布区域涵盖了日本西部、朝鲜半岛和中国东部,作为我国东北地区唯一的野生木兰属植物,天女木兰集观赏价值、药学价值和经济价值于一身,被视为极具开发利用前景的树种[4-8].然而,受种子深度生理休眠、开花数量少、种群年龄老化及气候变化、生境受损、访花昆虫种类和数目低等综合因素影响,天女木兰种群萎缩、分布范围窄化和适应能力下降的趋势日益加剧[1,5,9-10],对物种长期生存产生了强烈的负面影响,因此,根据科学研究理念制订有效的保护策略和管理措施尤为必要.本文采用文献计量学方法,收集Web of ScienceTM和CNKI检索数据库中的关键文献,通过Citespace软件绘制1980—2023年相关学术论文知识图谱并进行可视化处理;综述天女木兰研究热点,展望研究趋势,旨在为准确把握天女木兰研究热点,及时了解发展瓶颈,强化种质资源科学保护和可持续利用提供思路与借鉴.

1 数据来源与研究方法

本研究数据采自Web of ScienceTM(WoS)核心合集数据库和中国知网(CNKI,China National Knowledge Infrastructure)引文数据库.在两大文献检索平台设定的主题词分别为“magnolia sieboldii”和“天女木兰”“天女花”“小花木兰”,检索时间区间为1980—2023年.为确保数据的准确性,根据主题相关性对获得的文献进行整理筛选,最终将202篇文献纳入分析范围,其中,WoS数据库56篇,CNKI数据库146篇.

利用Citespace V6.1绘制天女木兰相关研究领域的关键词共现网络图谱和关键词时间线聚类图谱.在关键词共现网络图谱中,每个节点代表1个关键词,节点大小代表关键词出现频率的高低.由于关键词是学者对文章主题的高度概括和凝练,因此,通过考察关键词的出现频率可以掌握研究主题和研究热点,进而判断该领域研究内容的更新速度和发展潜力.在关键词时间线聚类图谱中,关键词演进的时间顺序自左向右排列,节点大小与对应关键词出现的频率成正比,通过该图谱可以了解研究热点的主题分类、持续时间和演化趋势.

2 研究热点分析

2.1 外文文献研究热点

关键词共现图谱形成的共有节点N为 198个,连线E为568条,网络密度D为0.029 1(图1).梳理频次≥4的关键词,将图1和图2联合起来分析可知:关键词“expression”(基因表达,中心性0.18)、“essential oil”(精油,中心性0.12)、“breast cancer”(乳腺癌,中心性0.11)、“activation”(激活,中心性0.10)、“cancer cell”(癌细胞,中心性0.09)、“costunolide”(木香烃内酯,中心性0.07)、“dormancy breaking”(休眠解除,中心性0.07)和“death”(致死,中心性0.06)出现的频次较高,表明当前外文文献主要关注天女木兰种子萌发调节/休眠解除机制、化学物质的医用功效等方面.

图1 外文文献中天女木兰研究的关键词共现网络图谱

图2 外文文献中天女木兰研究的关键词时间线聚类图谱

由图2可知,该聚类的时间线图谱模块Q值为0.769 1,轮廓S值为0.931 2,可信度较高.分析关键词出现的年份可知,“magnolia sieboldii”位于时间轴最前端,开展相关研究的时间为1997—2023年.总体上,可将外文研究划分为两个阶段:

1)1997—2012年,聚类1“reactive oxygen species”(活性氧族)、聚类3“telomerase”(端粒酶)和聚类4“cytotoxic effect”(毒素效应)的初始研究均起源于该时期,说明此时研究聚焦于天女木兰茎皮提取物——木香烃内酯(关键词“costunolide”)的药效作用及其诱导人类癌细胞凋亡原因等方面.由于木香烃内酯具有多种生物活性和免疫作用,能够通过不同方式减少病变细胞增殖[11-14],因此,可用于治疗幽门螺杆菌感染[15]、结肠癌、肺癌、膀胱癌、肝癌、乳腺癌[14,16]、白血病[11,13]等多种病症(关键词“cancer”“cancer cell”“breast cancer”“leukemia cell”等).除此之外,也有针对其他化学内含物(如紫丁香苷,关键词“syringin”)药用价值的报道[17-19].

2)2013—2023年,对天女木兰芳香精油的研究不断涌现,话题从不同器官芳香精油的化学成分及其差异[20]逐渐深入到芳香精油在医疗[21]和美容[22]领域的应用价值.此外,从聚类5“reflux esophagitis”(反流性食管炎)能够推断,天女木兰其他提取物的抗炎作用也得到了验证[23].与此同时,相关研究[7-8]发现,由于气候变化,天女木兰在地理分布上具有进一步向俄罗斯扩散的潜力.作为珍稀濒危植物,引种天女木兰的繁殖特性(代表关键词“flower bud”,包括物候特征、花粉萌发、种子萌发和种子产量)已有阐述[24],叶绿素全基因组序列(关键词“chloroplast genome”)测定工作已经完成[25-26],与天女木兰种子打破休眠相关的蛋白质(关键词“protein expression”)等物质[27-29]的变化开始受到关注.2021—2023年,研究重点集中于种子萌发过程中的关键基因及其参与多种代谢的途径(关键词“seed dormancy”“RNA isolation”)[10,30-31],以及生长素应答因子(关键词“auxin response factor”“plant growth”,即介导植物生长素信号基因表达网络的关键转录因子)的动态表达模式[32].

2.2 中文文献研究热点

通过图3的中文文献关键词共现分析可知,该图谱共有节点N为203个,连线E为323条,网络密度D为0.015 8.对频次≥4的关键词进行统计,综合图3和图4可见:目前,我国天女木兰的研究主要集中于种子催芽、种子休眠、繁殖繁育技术和栽培技术等方面,由关键词“种子”构建了与层积催芽、种子萌发、种子休眠相关的研究网络,其中,“温度”(中心性0.26)、“贮藏条件”(中心性0.21)、“发芽率”(中心性0.14)和“生活力”(中心性0.11)在种子研究中的关注度较高;围绕关键词“繁殖技术”“繁育技术”和“栽培技术”有组织培养、播种育苗、嫁接育苗、扦插育苗、压条繁殖等相关主题,其中,“外植体”(中心性0.07)、“营养器官”(中心性0.05)、“播种”(中心性0.04)、“嫁接”(中心性0.04)和“扦插”(中心性0.04)对上述领域的影响较大.

图3 中文文献中天女木兰研究的关键词共现网络图谱

图4 中文文献中天女木兰研究的关键词时间线聚类图谱

中文文献关键词聚类的时间线图谱模块Q值为0.761 2,轮廓S值为0.984 5(图4),表明该聚类的可信度较高.就关键词出现的年份而言,“天女木兰”和“天女花”均位于时间轴最前端,但“天女木兰”热度持续时间跨度相对较大(1996—2022年).国内研究可以分为3个阶段:

1)1996—2005年,研究主题从天女木兰的生物学特性和生长规律[33-34]逐渐过渡到种子繁殖技术[35-36]、栽培技术[35,37-39]和造林技术[40],该时期也出现了“离体培养”、“快速繁殖”[41]、“硬枝扦插”[42]等关键词,说明在天然繁殖率低,种子育苗栽培周期长、技术难度大的情况下,已有关于天女木兰无性快速繁殖体系的初步探索.此外,2005年,有学者[38]在黑龙江省哈尔滨市对天女木兰进行了抗寒引种试验.2005年附近出现了“园林”“应用”等关键词,表明天女木兰在园林绿化中的潜力得到认可,但其推广应用仍有待深入研究.

2)2006—2015年,相关研究数量显著增加,种子方面的研究涵盖了种子生物学特性[43]、休眠特性[44]、休眠机理[45]、快速催芽方法[4,46-48]等,“育苗技术”“栽培技术”“组织培养”“外植体”“培养基”“抗褐化”“播种育苗”“扦插”“压条”“移植”等一系列关键词的频繁出现则说明加强繁育技术的研究是天女木兰得以有效推广利用的关键[3-4,49-55].目前,已在吉林省通化市[56]、辽宁省沈阳市[57]、辽宁省海城市[58]、河北省承德市[59]、河北省秦皇岛市[60]、安徽省黄山市[61]、江西省上饶市[62-63]等多地开展了天女木兰引种、栽培和保育工作.与此同时,该时期仍延续了天女木兰抗寒能力的探究[64],但研究广度和深度欠缺.此外,通过聚类8“化学成分”可知,天女木兰器官代谢产物在医学和工业领域具有一定的开发利用前景[65-67].

3)2016—2022年,高效液相色谱法、气相色谱-质谱法、微卫星技术、基因克隆、分子标记技术等开始融入天女木兰研究中:种子休眠解除机制(关键词“休眠解除”“功能分析”“功能验证”等)成为该时期的研究热点[68-73];无性繁殖和有性繁殖技术研究均趋于深入[74-81];为实现合理引种和科学保育,由前期的关键词“种群”“分布格局”[1]发展到“遗传分化”“适生区”[2,5,82],表明天女木兰的遗传多样性日益受到关注.另外,聚类4“花粉”中包括了“花粉形态”“花粉萌发”“生活力”“花期”“预报模型”等关键词.目前,国内关于天女木兰花的研究包括开花特征[83]、传粉习性[84]、花粉贮藏[85]和花期预测[86].

3 研究热点概述

根据关键词共现网络(图1和图3)和关键词聚类知识图谱(图2和图4),提炼出天女木兰热门研究话题.

3.1 天女木兰繁育手段

3.1.1 有性繁殖技术

天女木兰种子属长休眠期、生理休眠型,种皮具有良好的通透性,种皮的机械约束对种子发芽率影响甚微,种胚发育不完全是天女木兰种子萌芽困难的主要原因[43,45,87].在调制种子、去掉种子蜡质假种皮、阴干处理后[35-36,51],利用质量浓度为200～300 mg/L的赤霉素(GA3)溶液对天女木兰种子进行浸种,此时种子糖代谢活动旺盛,糖代谢关键酶(酸性转化酶、中性转化酶、蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶)活性和碳水化合物含量剧烈变化,后熟期间过氧化氢酶和过氧化物酶活性升高,可溶性糖和可溶性蛋白含量增加,种子呼吸强度提高,从而显著促进了种胚分化发育,加速了种子形态后熟进程[46-48].之后进行为期至少150 d的室外自然低温沙藏,再经变温催芽处理(包括昼夜变温层积处理和交替变温层积处理两种方式),种子出芽率高、出芽整齐,且当年生幼苗木质化程度较高[47,62,87-88].种子有1/3裂咀时即可播种[77],育苗地选择通气良好、湿润肥沃的微酸性砂壤土较佳.由于天女木兰幼苗属子叶出土类型,因此,覆土厚度以0.8～1 cm为宜,播种后需及时遮阴,并适时浇水、施肥、除草[39,87].

3.1.2 无性繁殖技术

1) 扦插.天女木兰的扦插繁殖主要有硬枝扦插[42]、嫩枝扦插[36,87]、速蘸IBA和ABT[6,52,81]等方式,插穗类型、插穗基质等均是影响生根率的重要因素.天女木兰扦插效果相对较佳的处理如下:①2 a生枝条为插穗,V(珍珠岩)∶V(草炭土)=1∶1为基质,ABT1(200 mg/L)生根粉浸根4 h[42];②当年生半木质化新梢(剪去末节叶片,其余叶片剪除1/2～3/4或只留2片叶)为插穗,纯净细河沙为基质,基质温度控制在18～25 ℃,空气温度30 ℃以下,插床内空气相对湿度维持在85%以上,插床遮阴量为60%～70%[36];③当年生半木质化枝条为插穗(剪去末节叶片,其余叶片剪除1/2～2/3)为插穗,将插穗基部浸入IBA(500 mg/L)水溶液中5～7 s,纯净细河沙为基质,扦插棚内空气温度控制在30 ℃以下,空气相对湿度保持在85%以上,插床遮阴60%～70%,经该方法处理生根率达75%以上[6];④1 a生枝条为插穗,蛭石为扦插基质(下铺两层鹅卵石),插穗基部快速蘸取ABT生根粉溶液(500 mg/kg),速蘸深度约1 cm,时间为2～3 s,利用自动全光喷雾设备控制环境温、湿度,经该方法处理生根率可达85%[81].

2)嫁接.木兰科植物属间嫁接可以确保苗木大量繁殖.与实生苗相比,天女木兰嫁接苗的速生能力和适应能力相对更强,砧木种类、嫁接时间和嫁接方法均直接影响嫁接效果.以黄兰(Micheliachampaca)实生苗为砧木,选取天女木兰成年母树上部生长健壮、无病虫害的1 a生枝条(去除叶片、保留叶柄)为接穗,采用靠接方式,成活率为50%[89].为提高玉兰(Magnoliadenudata)的抗寒性,以天女木兰实生苗为砧木,采用嵌芽接方式进行玉兰嫁接,成活率为50%[74].

3)压条.目前已有天女木兰自然压条生根的案例.与硬枝扦插和嫩枝扦插相比,天女木兰压条繁殖不仅发芽生根早、成活率高、生长迅速,而且操作快捷、节约成本、无须特殊养护.具体做法:将2～ 4 a生的枝条压倒,就地取土埋设严实,每隔15 cm留一具萌生能力的芽.苗期管理需及时培土、除草,当年秋季即可出园定植.压条繁殖为提高天女木兰种植密度、解决天女木兰采种与采花矛盾、发展天女木兰繁育苗圃等提供了有效途径[60,90].

4)组织培养.建立离体培养快速繁殖体系对于天女木兰开发利用具有重要的现实意义,因此,天女木兰组织培养技术日益受到重视.该技术要点包括外植体种类选择、表面灭菌剂种类和灭菌时间确定、最适培养基筛选、最佳抗褐化剂及其最适浓度选择、最优激素配比选择、外来添加物质诱导等方面.天女木兰种子、沙培苗顶端分生组织、下胚轴、子叶、茎段、枝条顶端分生组织和带腋芽茎段等7种外植体的最佳灭菌方式存在一定差异[80].不同外植体经相同灭菌处理后,下胚轴的褐化程度最低,芽褐化防治的最佳方法是将其置于500 mg/L的维生素C溶液中(培养温度25 ℃、光照度1 500～2 000 lx);茎段褐化防治的最佳方法是将其置于4 ℃冰箱内24 h[41,49,75].因天女木兰外植体在B5培养基上长势良好且褐化率最低,所以该培养基为最优初代基本培养基.基于B5培养基能够筛选出适合侧芽分化、幼胚生长和实生苗增殖的配方[3-4,80].以下胚轴、沙培苗顶端分生组织和枝条顶端分生组织生成的具叶脉叶片为外植体时,根据高诱导率能够确定最优植物生长调节激素配比[80].关于外来添加物质,水解酪蛋白和硝酸银对天女木兰茎段愈伤组织和丛生芽的诱导分化作用十分微弱,并且会导致严重的褐化现象,因此,能否将二者添加到天女木兰再生体系还有待商榷[80].

3.2 天女木兰种子休眠解除机制

天女木兰种子具有形态生理休眠特性,除种胚发育不成熟外,种子各部位产生的发芽抑制物质(主要为假种皮和胚乳,分别产生抑制子叶生长和抑制胚根生长的水溶性抑制物质)是导致天女木兰种子深度休眠的又一原因[45-46],探寻种子休眠解除机制有助于天女木兰的繁殖与推广.通过mRNA和miRNA测序鉴定出138 771个基因在天女木兰发芽种子和未发芽种子之间存在显著差异,这些基因主要参与激素信号转导和糖、氨基酸、脂质等多种代谢[31].生长素(ARF)响应基因家族[10,32,70,73]和光敏色素(PHY)基因家族[69,72]在解除天女木兰种子休眠中起重要作用,其中,MsARF5和MsPHYA为调控天女木兰种子休眠的关键基因[32,69-70].通过基因富集分析确定了天女木兰种子生理休眠的3个关键过程,即信号转导、细胞周期调节以及淀粉和蔗糖代谢;借助高通量测序和基因共表达网络分析方法挖掘出MsDOG1作为核心基因参与天女木兰种子成熟期的休眠诱导,其低表达更有利于种子休眠解除和种子萌发[30,68];此外,A类PP2C基因(ABA信号转导途径中的重要负调节因子)中的MsAHG3在整个种子休眠过程中的基因表达量均高于MsAHG1和MsHAB1,因此,该基因在天女木兰种子休眠解除中也占据重要地位[71].

3.3 天女木兰药用价值

天女木兰根皮、树皮、枝条、叶片和花朵均可提取精油成分,其中,根皮中精油含量最高,叶片精油产出最低但其药用价值相对较高[20,91].天女木兰精油抗氧化、抗菌和抗炎疗效显著,其中,叶片精油能够有效控制一氧化氮(NO)和前列腺素(PGE2)的生成,以及抑制肿瘤坏死因子(TNF-A)、白细胞介素(IL-6和IL-10)的表达[92],精油中的主要成分β-榄香烯、γ-松油烯和(E)-β-辛香烯可用于治疗皮肤光损伤[22],而β-榄香烯、反式-β-罗勒烯、大根香叶烯D和橙花叔醇抗抑郁作用明显[21].

木香烃内酯是从天女木兰树皮中分离出来的一种天然倍半萜类内酯化合物,具有抗炎、抗病毒、抗真菌、抗肿瘤等多种生物活性[14,16],主要通过细胞毒素效应和化学预防作用诱导人体病变细胞凋亡,其触发病变细胞凋亡的途径:降低病菌脲酶活力[15];抑制人类核纤层蛋白B法尼基化作用的蛋白转移酶(FPTase)活性;通过活性氧族(ROS)介导,对病变细胞产生亲电性损伤[93],同时抑制端粒酶活性和限制转录因子结合[12,16].

3.4 天女木兰开花生物学特性

除生境因素、人为干扰外,自身生殖缺陷、自然更新不足是影响天女木兰物种遗传多样性和进化潜力的主要原因[5,63,83-84].天女木兰的花粉属大花粉,外壁粗糙,具典型蠕虫状条纹和直达两端的远极沟[85].花粉萌发率在初花时期最高,适宜花粉萌发的培养基为10%蔗糖+0.1%硼酸+0.02%CaCl2(温度25 ℃,培养10 h),低温冷藏和冷冻贮藏均有利于维持花粉生活力,-10 ℃冷冻的效果优于4 ℃冷藏,但也只能延长花粉寿命至5 d[85].自然环境中,天女木兰为种子繁殖、昆虫传媒,造成该物种日趋濒危的原因之一是开花数量、访花昆虫的种类和数目均较少,除蜜蜂外的其他访花昆虫在采粉过程中取食花粉、伤害花朵.此外,天女木兰为雌雄异株、异花授粉且自花授粉不育的植物,雌蕊成熟时间早于雄蕊,尽管雌雄异熟提高了异花授粉的概率,但天女木兰天然分布呈星散间断状态,年龄结构处于衰退态势,群落中幼树储备严重不足,种群自然更新力弱,直接导致天女木兰花授粉量不足,结实率和结籽率低[5,9,84,94].实际工作中,适当辅以人工足量授粉(包括去雄人工授同株花粉和去雄人工授异株花粉两种方式,后者较前者的个体平均出种率高,二者效果均优于去雄自然授粉)是天女木兰种质资源保护的有效措施[5,94].

3.5 天女木兰抗寒机制

作为我国珍稀的寒地园林观赏树种,天女木兰的天然高海拔分布表明,低温是保证其生存的重要条件.然而,冻害、寒害仍给天女木兰移栽和引种造成了严重阻碍[9,38],因此,研究抗寒机理对于扩大天女木兰栽培范围、丰富北方绿地景观具有重要的实践价值.低温胁迫处理的天女木兰膜脂过氧化作用、渗透调节作用和抗氧化酶系统均表现出一定程度的防御反应,但当胁迫强度和胁迫时间超过一定临界值时,天女木兰的防御功能有所减弱[64].在实际生产中,为避免越冬时出现冻害干梢现象,引种时须根据天女木兰的低温适应习性,对10 a生以下的幼树采取埋土、草捆扎、草捆扎+包塑料膜等防寒保护措施[38,77].

4 研究展望

通过科学知识图谱可视化分析可以及时掌握天女木兰的研究热点,据此分析,未来天女木兰的研究趋势应包括如下几个方面:

1)突破关键繁育技术.天女木兰是珍贵的园林绿化树种之一,驯化培育成功后将大大增强城市景观(尤其是东北地区)特色.核心扩繁手段的探究是突破天女木兰繁殖和栽培瓶颈、助力天女木兰成为广泛应用园林绿化树种的重要工作.天女木兰现有不同繁殖技术均存在障碍和不足,并且针对培育过程中出现的突出问题,尚未研发出统一而有效的配方或方法,因此,应整合天女木兰苗木特性和栽培管理方面的理论知识,加强科学技术研发与创新,利用先进而精准的现代化繁殖、繁育手段,根据实际情况和现实需求灵活选用匹配的技术,着重提升繁育效率、提高繁育质量.同时,要结合相关代谢特性及生理物质变化规律开展研究,了解不同繁育方式优势,制订科学合理的繁育技术规程,推动天女木兰商业化培育、品种选育和良种选育等工作.

2)科学保护种质资源.自然条件下生长的天女木兰对生境要求高,但其适应能力偏弱,气候变化势必改变天女木兰对环境变异的敏感度,从而给生存带来更大压力.温度和水分是制约天女木兰种群更新与发展的重要环境因子,因此,加强天女木兰适生区气候监测,及时评估并改善致危因素,为野生天女木兰设立身份标识并跟踪生长状况,对生态适应性和濒危机制进行全面且系统的调研与评价,保证野外种群的维持效率,是就地保育、城市园林引种驯化以及可持续开发利用天女木兰这一珍贵种质资源的重要方面.

3)发掘综合利用价值.为满足人们日益提高的对天然功能性保健品的需求,后续在对不同提取物作用机制进行深入研究的基础上,还应组织协调相关科研单位和企业联合进行科技攻关,优化完善加工制作工艺,推动精油等产品的高质量开发.尽管目前的研究仍聚焦于药用价值方面,但未来要同时关注天女木兰的景观和经济价值,如推动“天女木兰节”观光旅游,开发有机绿色食品、美容护肤品、家具、木艺雕刻等.因此,要在有效保护种质资源的同时,紧密结合研发应用、宣传推广,共同发力,开发出实用性强的产品.