李楠，許哲平，郭曉真，王友華，張學(xué)福*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081；2.中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報中心，北京 100190；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著全球自然災(zāi)害頻發(fā)，干旱、鹽堿、低溫、高溫、病蟲害等對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量造成嚴(yán)重威脅。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）數(shù)據(jù)表明，至2050年糧食生產(chǎn)要提升70%才能滿足人口需求[1]。因此，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)迫切尋求先進技術(shù)與策略，保障全球糧食安全，同時增強作物品質(zhì)，滿足可持續(xù)綠色發(fā)展需求[2-3]。合成生物學(xué)采用工程化的設(shè)計原理，對生物體進行有目標(biāo)的設(shè)計、改造、重新合成，甚至于實現(xiàn)由非生命物質(zhì)向生命物質(zhì)轉(zhuǎn)變，被譽為是“改變未來的顛覆性技術(shù)”[4]，且已在生物能源、生物材料、醫(yī)療技術(shù)等諸多領(lǐng)域取得突破性進展[5-7]?；诤铣缮飳W(xué)的強大優(yōu)勢，面向我國農(nóng)業(yè)創(chuàng)新需求，越來越多的學(xué)者利用合成生物學(xué)思路和方法解決農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵性問題。例如，通過合成生物學(xué)技術(shù)改造Rubisco酶活性來提高卡爾文循環(huán)的固碳效率，從而提高作物光合作用效率，通過重塑代謝通路可改良農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、通過自主固氮以減少農(nóng)業(yè)化肥等[8]。林敏[9]提出，合成生物技術(shù)作為新一代生物育種技術(shù)，可實現(xiàn)生物育種新突破。Zhu等[10]提出，與農(nóng)藝實踐和傳統(tǒng)育種相比，植物代謝工程和合成生物學(xué)策略在合成作物中對于特定微量營養(yǎng)素、植物營養(yǎng)素或生物活性成分的提升方面更加有效和精準(zhǔn)。

Schwille[11]定義了植物合成生物學(xué)的基本概念：將工程原理應(yīng)用于植物系統(tǒng)的設(shè)計和改變，以及從頭構(gòu)建人工生物途徑，這些途徑在植物中的行為可以被預(yù)測、調(diào)控并最終被編程。傳統(tǒng)的生物技術(shù)主要依靠重組DNA技術(shù)，著重于現(xiàn)有異源基因和啟動子的重組，而植物合成生物學(xué)是以新的方式，構(gòu)建具有新功能的模塊[12]。與利用細(xì)菌、原核生物作為對象開展合成生物學(xué)相比，植物合成生物學(xué)的發(fā)展時間不長，因此對該領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢及特征進行探究和分析，有利于研究人員有效把握領(lǐng)域研究熱點。

科技論文作為科研成果的重要載體，在一定程度上能夠反映特定領(lǐng)域科技創(chuàng)新的水平，是進行領(lǐng)域態(tài)勢分析的重要研究對象。文獻(xiàn)計量學(xué)作為偏定量的統(tǒng)計分析方法，能夠?qū)Υ笠?guī)模的論文數(shù)據(jù)進行多指標(biāo)計量分析，較單純的專家咨詢等定性方法具有分析維度豐富、分析方法靈活高效的特點[13]。例如，黃家章等[14]基于文獻(xiàn)計量學(xué)方法對營養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)的研究現(xiàn)狀及前沿進行分析，揭示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多樣性等主題將持續(xù)呈現(xiàn)較高熱度，并針對我國營養(yǎng)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)發(fā)展提出相關(guān)建議；劉佳等[15]通過對專利文獻(xiàn)的計量分析，揭示了基因編輯技術(shù)的演化過程，并基于基因編輯專利的申請與布局基本態(tài)勢，為相關(guān)決策者制定技術(shù)戰(zhàn)略提供依據(jù)。因此，基于對大規(guī)模的文獻(xiàn)計量方法分析并預(yù)測領(lǐng)域的態(tài)勢可以為科技決策提供的一定的參考。本研究采用文獻(xiàn)計量學(xué)的基本原理和方法對2000-2021年全球植物合成生物學(xué)領(lǐng)域研究論文數(shù)據(jù)進行計量分析，旨在全面探討全球植物合成生物學(xué)領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢，對科研人員及時了解學(xué)科動態(tài)，把握領(lǐng)域科技前沿以及開展有效的科研合作，以及科技管理部門判定該領(lǐng)域創(chuàng)新潛力、優(yōu)化資源布局等具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

本研究基于合成生物學(xué)、植物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医ㄗh構(gòu)建植物合成生物學(xué)論文檢索策略，原則面向與農(nóng)作物密切相關(guān)的關(guān)鍵問題，包括作物品質(zhì)改良、作物抗逆特性等，以及合成生物學(xué)關(guān)鍵技術(shù)建立植物合成生物學(xué)領(lǐng)域檢索式。數(shù)據(jù)來源于Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫，檢索年限定為2000-2021年，檢索時間2022年3月。共獲得97 551篇，構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，利用TDA分析工具對數(shù)據(jù)進行清洗。

1.2 統(tǒng)計分析方法及指標(biāo)

本文借助Web of Science數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)分析平臺、InCites數(shù)據(jù)庫及Excel等數(shù)據(jù)處理工具對文獻(xiàn)的時序出版數(shù)量、文獻(xiàn)產(chǎn)出國家、科研機構(gòu)、作者、期刊等進行計量分析。利用Citespace和Vosviewer等工具進行主題挖掘和可視化展示，對本領(lǐng)域高被引文獻(xiàn)的主要內(nèi)容進行解讀?；谖墨I(xiàn)的引用關(guān)系構(gòu)建社會網(wǎng)絡(luò)圖譜，判定關(guān)鍵技術(shù)主題的演化特征。其中“高被引文獻(xiàn)”基于ESI數(shù)據(jù)平臺的標(biāo)識。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物合成生物學(xué)領(lǐng)域發(fā)文趨勢分析

對特定時間段內(nèi)領(lǐng)域論文發(fā)表量進行統(tǒng)計，能反映科學(xué)研究活動的活躍程度。本研究共檢索到97 551篇論文數(shù)據(jù)，對年度文獻(xiàn)累積數(shù)據(jù)的指數(shù)增長定律進行回歸分析。結(jié)果（圖1）顯示，發(fā)文量隨出版年代呈指數(shù)增長趨勢，符合普賴斯提出的科學(xué)文獻(xiàn)指數(shù)增長規(guī)律[16]，增長曲線尚未向邏輯曲線轉(zhuǎn)變，可判定該領(lǐng)域處于發(fā)展中階段。

圖1 2000—2021年度植物合成生物學(xué)領(lǐng)域累計發(fā)文量Fig.1 Cumulative number of published articles in the field of plant synthetic biology from 2000 to 2021

進一步分析文獻(xiàn)發(fā)表量、增長量隨時間的變化趨勢（圖2）發(fā)現(xiàn)，2000—2005年發(fā)文量曲線及增長曲線相對平緩，文獻(xiàn)增長速度緩慢。分析其原因彼時基于系統(tǒng)生物學(xué)的遺傳工程和工程技術(shù)方法的人工生物系統(tǒng)研究剛剛賦予合成生物學(xué)新概念。美國等發(fā)達(dá)國家自2006年開始在合成生物學(xué)領(lǐng)域加大科研資金投入并開展學(xué)科布局，植物合成生物學(xué)也隨之進入快速增長期，2006—2010年發(fā)文量持續(xù)穩(wěn)定增長，年平均發(fā)文量3 000余篇。2011—2021年曲線斜率有明顯提高，特別是在2015年后文獻(xiàn)增長幅度較大，是植物合成生物學(xué)領(lǐng)域快速發(fā)展階段，推測該時間段內(nèi)領(lǐng)域有重大突破（如基因編輯技術(shù)）推動領(lǐng)域的快速發(fā)展。文獻(xiàn)內(nèi)容特征將在下一節(jié)中進行分析。

圖2 植物合成生物學(xué)領(lǐng)域文獻(xiàn)發(fā)表量和增長量的時間分布Fig.2 Time distribution of published articles and growth in the field of plant synthetic biology

2.2 科研主體分布統(tǒng)計分析結(jié)果

國家、機構(gòu)、科學(xué)家是推動科技創(chuàng)新的主體，科研主體發(fā)表論文情況可反映領(lǐng)域創(chuàng)新成果分布情況及創(chuàng)新主體的貢獻(xiàn)度。為了較精準(zhǔn)地反映指標(biāo)特征，本研究選擇2015—2021年植物學(xué)領(lǐng)域發(fā)表的文章（38 694篇）作為分析對象，對其文獻(xiàn)的主要貢獻(xiàn)國家、機構(gòu)、核心作者、刊載期刊等文獻(xiàn)特征進行計量分析。

2.2.1 核心文獻(xiàn)的國家分布統(tǒng)計 2015—2021年共有156個國家和地區(qū)的學(xué)者在植物合成生物學(xué)領(lǐng)域發(fā)表了論文。領(lǐng)域發(fā)文占比世界排名前20的國家如圖3所示，中國最高，全球占比18.19%；美國次之，全球占比9.96%。從表1可以看出，中國發(fā)文量（11 874篇）約為美國（6 501篇）的1.8倍，是德國（2 380篇）、日本（2 231篇）的5倍，是印度（2 009篇）、法國（1 908篇）的6倍左右。此外，英國、西班牙、加拿大和韓國也排名前10，發(fā)文量均為1 200篇以上。

圖3 植物合成生物學(xué)領(lǐng)域2015—2021年發(fā)文占比前20的國家Fig.3 TOP 20 countries in the field of plant synthetic biology from 2015 to 2021

論文的引用情況在一定程度上反映論文內(nèi)容的學(xué)術(shù)質(zhì)量。中國和美國的總被引頻次分別為147 210和102 992次，顯著高于其他國家，這與發(fā)文量有密切關(guān)系，表明中美兩國在農(nóng)業(yè)合成生物學(xué)領(lǐng)域有著相對較高的影響力（表1）。但就篇均被引頻次而言，中國為12.4，居第17位，美國、德國、英國、韓國、印度均為15.0以上，法國、西班牙、加拿大、澳大利亞等略高于中國。歐洲國家（德國、英國、法國）發(fā)文數(shù)量相對較低，但其篇均被引頻次較高，表明這些國家的論文質(zhì)量整體水平較高，且在特定研究方向處于全球領(lǐng)先地位。

表1 2015—2021年度植物合成生物學(xué)領(lǐng)域TOP20國家發(fā)文情況Table 1 State of published articles of TOP20 countries in the field of plant synthetic biology from 2015 to 2021

2.2.2 核心文獻(xiàn)的機構(gòu)分布 2015—2021年，共有超5 000個機構(gòu)在植物合成生物學(xué)領(lǐng)域發(fā)表了論文。發(fā)文量世界排名前20（TOP20）的機構(gòu)如表2所示。中國科學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、加州大學(xué)系統(tǒng)、美國農(nóng)業(yè)部、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、法國國家科學(xué)研究中心居于世界前6，發(fā)文量較高，近5年發(fā)文量為800篇以上；全球發(fā)文量排名TOP10的機構(gòu)中，有4個為中國機構(gòu)，全球發(fā)文排名TOP20的機構(gòu)中，有8個中國機構(gòu)。其中，中國科學(xué)院和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院在發(fā)文量上有明顯優(yōu)勢，分別為1 985和1 359篇，顯著高于其他機構(gòu)。中國科研機構(gòu)科學(xué)研究成果產(chǎn)出數(shù)量有明顯優(yōu)勢。

從論文的引用情況（表2）可以看出，總被引頻次排名TOP5的機構(gòu)分別為中國科學(xué)院、加州大學(xué)系統(tǒng)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、美國農(nóng)業(yè)部和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)。就篇均被引頻次而言，排名TOP5的分別為英國生物技術(shù)和生物科學(xué)研究委員會、英國研究與創(chuàng)新局、美國能源部、加州大學(xué)和馬克斯·普朗克研究所，均為22.0及以上，中國科學(xué)院被引頻次為21.0。

表2 2015—2021年植物合成生物學(xué)領(lǐng)域TOP20機構(gòu)發(fā)文情況Table 2 Distribution of TOP20 scientific research institutions in the field of plant synthetic biology from 2015 to 2021

基于機構(gòu)的合作關(guān)系構(gòu)建機構(gòu)之間的合作網(wǎng)絡(luò)，基于網(wǎng)絡(luò)系數(shù)中介中心度表征特定機構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中對資源的調(diào)控支配作用。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點越大表征節(jié)點中介中心度值越大，那么表明該節(jié)點在領(lǐng)域中核心性作用越大。結(jié)果（圖4）顯示，中國科學(xué)院在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點最大，中介中度值最高，表明該機構(gòu)在領(lǐng)域中的核心優(yōu)勢地位，在全球范圍內(nèi)均具有一定的引領(lǐng)作用。

圖4 發(fā)文機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)的中介中心度值Fig.4 Betweenness of cooperative network of publishing organization

2.3 高被引論文分析

高被引論文是指被引頻次居本學(xué)科前1%的論文，是領(lǐng)域內(nèi)受關(guān)注度較高的論文。通常情況下高被引論文內(nèi)容反映領(lǐng)域研究重點和熱點。本研究遴選出2個時間段（2010—2014和2015—2020）的高被引文獻(xiàn)進行解讀分析，揭示高被引內(nèi)容的演化趨勢。

2.3.1 2010—2014年高被引論文TOP10分析如表3所示，2010—2014年度文獻(xiàn)內(nèi)容主要聚焦以下方面。

表3 2010—2014年植物合成生物學(xué)領(lǐng)域高被引論文TOP10Table 3 TOP10 highly cited papers in the field of plant synthetic biology from 2010 to 2014

①功能元件的挖掘與解析。以植物轉(zhuǎn)錄因子MYB為代表性內(nèi)容。MYB轉(zhuǎn)錄因子家族廣泛參與基因的表達(dá)調(diào)控，是調(diào)控植物發(fā)育、代謝、響應(yīng)生物及非生物脅迫分子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵因子，其中C1基因是玉米花青素合成途徑中被鑒定的首個MYB類轉(zhuǎn)錄因子[17]，為構(gòu)建和完善玉米花青素合成模塊奠定了基礎(chǔ)。脯氨酸是具有剛性結(jié)構(gòu)的氨基酸，作為轉(zhuǎn)錄因子或者結(jié)構(gòu)蛋白組成的必需氨基酸參與應(yīng)答各種環(huán)境脅迫，解析脯氨酸在不同植物內(nèi)作用機理為脯氨酸在合成生物學(xué)中的發(fā)展奠定基礎(chǔ)[18]。另外，植物生長所必需的物質(zhì)，如木質(zhì)素屬于苯丙素合成通路的次生代謝產(chǎn)物的典型代表[19-20]；其他植物激素合成通路的解析為提升植物抗性奠定基礎(chǔ)[24-25]。

②共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。ZFNs和TALEN作為重要的基因編輯工具，可實現(xiàn)在生物基因組特定位置進行精準(zhǔn)基因編輯和誘變，對植物在基因組水平的改造具有較高的應(yīng)用前景[26-28]。TALEN技術(shù)是將具有DNA識別功能的TALE模塊與核酸酶FokⅠ進行融合，實現(xiàn)在特定位點進行剪切；ZFNs是人工將鋅指DNA結(jié)合域與限制性內(nèi)切酶的DNA切割域融合，通過改造ZFN的鋅指結(jié)合域，靶向不同的DNA序列。

③合成光合新材料。根據(jù)葉綠體光合作用中的電子傳遞機制，應(yīng)用材料和化學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)制出人工光合作用發(fā)電裝置并用于實際生產(chǎn)[29]。不同植物對不同金屬離子的吸收和富集能力存在差異，通過解析其調(diào)控通路，利用合成生物學(xué)方法可獲得穩(wěn)定性更好和積累量更大的金屬納米顆粒。這些研究拓展了植物學(xué)光合作用合成生物學(xué)的創(chuàng)新范疇。

2.3.2 2015—2021年高被引論文前10分析 如表4所示，這一時間段內(nèi)，高被引文獻(xiàn)內(nèi)容聚焦通用關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)對與植物逆境相關(guān)的生物作用元件的識別，具體內(nèi)容包括以下幾個方面。①重要功能元件與模塊解析。相比于2010—2014高被引文獻(xiàn)，2015—2019年間的高被引文獻(xiàn)內(nèi)容大多是聚焦重要植物的激素合成與代謝、激素間互作關(guān)鍵基因的識別與功能分析、揭示植物應(yīng)對逆境信號的響應(yīng)機制[34]，同時提出未來的研究需要尋找改善基因的新途徑，以應(yīng)對復(fù)雜多變的脅迫因素并保證糧食安全。②共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。這一階段新一代基因編輯技術(shù)——CRISPR/Cas9受到廣泛關(guān)注。相較于ZFNs和TALEN，CRISPR/Cas9技術(shù)具有高效、脫靶率低和核酸酶結(jié)構(gòu)簡便易操作等優(yōu)勢。自2013年首次報道以來，CRISPR/Cas9便處于快速發(fā)展階段，不僅限于單位點的基因編輯，也包括多位點編輯系統(tǒng)[27-28]和單堿基編輯器[29]。這些功能的拓展為CRISPR/Cas9在人類醫(yī)學(xué)和植物領(lǐng)域廣泛應(yīng)用提供了可能。③材料學(xué)與生物學(xué)交叉研究與應(yīng)用?？咕{米銀的植物提取方法得到廣泛應(yīng)用,包括醫(yī)學(xué)[30]。傳統(tǒng)的納米銀顆粒通過化學(xué)方法還原獲得，且普遍具有毒性，需要尋找對環(huán)境友好的提取工藝。而從植物材料中提取銀顆粒不僅降低對環(huán)境的毒害，還能在更加可控的條件下進行，是可被廣泛應(yīng)用的銀納米顆粒提取的方式[31]。

表4 2015—2021年植物合成生物學(xué)領(lǐng)域TOP10高被引論文Table 4 TOP10 highly cited papers in the field of plant synthetic biology from 2015 to 2021

綜合以上高被引文獻(xiàn)的內(nèi)容可以看出，以基因編輯技術(shù)為代表的關(guān)鍵性通用技術(shù)是植物合成領(lǐng)域的熱點內(nèi)容[36]，尤其是CRISPR技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，由于其具有可同時編輯多個位點、編輯效率高、設(shè)計過程簡單易操作等優(yōu)點[37]，加速了合成生物學(xué)在植物學(xué)領(lǐng)域的交叉融合，該技術(shù)本身的優(yōu)化和創(chuàng)新也將在未來持續(xù)性開展。

2.4 代表性主題內(nèi)容分布

2.4.1 基于關(guān)鍵詞共現(xiàn)方法獲得代表性主題 通過以上對高被引文獻(xiàn)內(nèi)容的解析，獲得了連續(xù)2個時間段內(nèi)植物合成生物學(xué)領(lǐng)域熱點內(nèi)容。為了識別本領(lǐng)域中更多的有代表性的主題，本研究利用關(guān)鍵詞共現(xiàn)的方法從較大規(guī)模的文獻(xiàn)中挖掘更多重要性主題。關(guān)鍵詞共現(xiàn)的基本原理是基于相同的關(guān)鍵詞在不同文獻(xiàn)中出現(xiàn)的頻次，如果一組文獻(xiàn)中擁有的相同關(guān)鍵詞數(shù)量越多，表明文獻(xiàn)內(nèi)容的相關(guān)性越強，則這組文獻(xiàn)屬于同一主題方向。

將2000—2020年的文獻(xiàn)劃分4個時間段（2000—2004、2005—2009、2010—2014、2015—2021），將每個時間段內(nèi)的文獻(xiàn)按照被引頻次進行排序，獲得每個時間窗前5%的文獻(xiàn)（文獻(xiàn)數(shù)量顯著高于ESI標(biāo)注的高被引文獻(xiàn)）進行主題聚類。結(jié)果（表5）顯示，在4個時間段內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)的主題反映了領(lǐng)域內(nèi)的重點內(nèi)容，這些主題包括：①植物激素及其之間的相互作用，對于植物應(yīng)對生物/非常生脅迫調(diào)控反應(yīng);②生物大分子如纖維素酶的生物合成，及其代謝通路的分析與構(gòu)建;③轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子、啟動子等功能元件的識別與分析，用以調(diào)控代謝產(chǎn)物合成途徑，影響作物產(chǎn)量、質(zhì)量、抗旱/寒/鹽脅迫、抗病性能等。

表5 表征特定主題的高頻關(guān)鍵詞Table 5 High-frequency keywords that represent representative topics

對比前2個時間段，2010—2014、2015—2020時間段出現(xiàn)新的主題：①TALEN、CRISPR/Cas系統(tǒng)等基因組編輯工具在應(yīng)用于作物育種，為物種定向改造奠定基礎(chǔ)；②利用植物底盤進行天然產(chǎn)物合成，包括：提高天然產(chǎn)物已知活性成分含量以及挖掘天然產(chǎn)物未知合成途徑等；③通過建模重構(gòu)代謝通路網(wǎng)絡(luò)，生產(chǎn)新的成分與材料，例如乳酸菌的人工合成、用異源合成與代謝方法生產(chǎn)各類酶等。

2.4.2 基于社會網(wǎng)絡(luò)分析方法獲得代表性主題及其演化趨勢 通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)方法獲得了不同時間段內(nèi)的代表性主題，這些主題揭示的是受關(guān)注度較高的研究內(nèi)容?！巴ㄓ眯浴笔欠从酬P(guān)鍵技術(shù)的主題特征之一。本部分社會網(wǎng)絡(luò)分析旨在獲得具有“通用性”特征的植物合成生物學(xué)領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)?；谖墨I(xiàn)之間的引用關(guān)系可構(gòu)建文獻(xiàn)的社會網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點即具有高中介中心度值的節(jié)點，一般在網(wǎng)絡(luò)中反映的是具有支配效應(yīng)、有較高影響力的內(nèi)容，用研究用該指標(biāo)挖掘引文網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)主題，通過添加時間因素可反映不同時間段內(nèi)關(guān)鍵性技術(shù)主題的演化趨勢。

本研究構(gòu)建2000-2009和2010—2019時間段內(nèi)文獻(xiàn)引文網(wǎng)絡(luò)中最大連通子網(wǎng)，獲得中介中心度值較大的25個節(jié)點。節(jié)點內(nèi)容繪制知識演化圖譜（圖5）顯示，這些處于關(guān)鍵性節(jié)點的文獻(xiàn)內(nèi)容圍繞基于代謝組、轉(zhuǎn)錄組等組學(xué)方法分析轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控作用。其中2005—2010主要是代謝組或是轉(zhuǎn)錄組單一方法的應(yīng)用，隨后是多組學(xué)方法綜合應(yīng)用。2008年，代謝組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于芥子油苷的合成途徑分析，且高通量測序技術(shù)開始應(yīng)用于細(xì)胞和組織中轉(zhuǎn)錄本（主要是mRNA）的種類和表達(dá)量研究。代謝組學(xué)技術(shù)是繼基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)出現(xiàn)后，新興“組學(xué)”技術(shù)是對低分子量代謝產(chǎn)物進行定性和定量分析的關(guān)鍵技術(shù)，用于功能基因組、活性代謝物的鑒定、代謝通路解析等。2010—2012年研究通過多組學(xué)聯(lián)合的方法實現(xiàn)高效、快速挖掘、鑒定天然產(chǎn)物生物合成途徑、催化酶基因等。例如，通過轉(zhuǎn)錄組挖掘差異基因，快速圈定核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵候選基因；通過代謝組尋找目標(biāo)化合物的差異累積，候選基因與表型進行關(guān)聯(lián)；通過基因組對候選基因進行定位，結(jié)合序列的多態(tài)性全面對目標(biāo)基因進行描述；通過酶表征數(shù)據(jù)對酶基因的性質(zhì)進行確認(rèn)[38-39]。

圖5 技術(shù)性主題演化分析Fig.5 Analysis of technical topic evolution

3 討論

本研究利用文獻(xiàn)計量學(xué)方法分析植物合成生物學(xué)領(lǐng)域態(tài)勢，表明植物合成生物學(xué)領(lǐng)域處于穩(wěn)定且近年來處于相對較快的發(fā)展階段，同時也揭示了當(dāng)前植物合成生物學(xué)領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容。另外，從文獻(xiàn)總量、總被引數(shù)量、在學(xué)術(shù)共同體合作網(wǎng)絡(luò)中所處的位置、全球高被引文獻(xiàn)的占比均反映了中國在該領(lǐng)域的展中處于相對優(yōu)勢地位。而利用各類組學(xué)技術(shù)進行活性代謝物的鑒定、解析代謝通路解析此類研究國外開展相對早些。

3.1 我國和全球主要國家的研究布局對比

3.1.1 中國的研究布局 合成生物學(xué)作為生命科學(xué)領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)，從國家戰(zhàn)略層面對其進行布局和資助是支撐該領(lǐng)域持續(xù)性發(fā)展的主要動力，也是未來影響國家競爭力的關(guān)鍵。我國合成生物學(xué)研究起步相對較晚[7]。2011年，科學(xué)技術(shù)部開始對“合成生物學(xué)”進行支持[40]，包括973項目10項和863項目1項，主要以容易改造的微生物為研究對象。2018年11月1日，科學(xué)技術(shù)部公布了“合成生物學(xué)”重點專項[41]，其總體目標(biāo)是針對人工合成生物創(chuàng)建的重大科學(xué)問題，圍繞物質(zhì)轉(zhuǎn)化、生態(tài)環(huán)境保護、醫(yī)療水平提高、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)等重大需求，構(gòu)建幾個實用性的重大人工生物體系，創(chuàng)新合成生物前沿技術(shù)。2019年，科學(xué)技術(shù)部發(fā)布“創(chuàng)新驅(qū)動鄉(xiāng)村振興發(fā)展專項規(guī)劃（2018—2022年）”，提出“種業(yè)自主創(chuàng)新”的具體任務(wù)，重點開展基因編輯、生物合成、全基因組選擇等前沿技術(shù)研究。2019年，科學(xué)技術(shù)部發(fā)布國家重點研發(fā)計劃“合成生物學(xué)”等重點專項申報指南，對植物合成生物的發(fā)展方向提出了具體的發(fā)展目標(biāo)并且重點布局在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。綜上，自2011年以來，支撐我國合成生物學(xué)發(fā)展的重點項目主要來自科學(xué)技術(shù)部，其對于植物合成生物學(xué)資助的規(guī)模不斷增大，發(fā)展任務(wù)是“重要農(nóng)作物基因組編輯技術(shù)、定向設(shè)計分子育種等農(nóng)業(yè)重大基礎(chǔ)研究與前沿技術(shù)取得突破”。與作物分子育種、作物品質(zhì)改良、作物抗逆等與關(guān)乎糧食安全重點課題相關(guān)。

3.1.2 全球其他主要國家的研究布局 本研究也分析了美國、英國、澳大利亞等為代表的發(fā)達(dá)國家在合成生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展布局，并且這些國家均是從國家層面制定發(fā)展戰(zhàn)略。美國是合成生物學(xué)研究的領(lǐng)先國家，自2008年開始布局合成生物學(xué)的相關(guān)研究，包括美國能源部（Department of Energy，DOE）、國家科學(xué)基金會（National Science Foundation,NSF）、國立衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health，NIH）、農(nóng)業(yè)部（United States Department of Agriculture，USDA）、國防部（Department Of Defense，DOD）等都陸續(xù)支持了合成生物學(xué)的基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)和相關(guān)機構(gòu)的建立，使得合成生物學(xué)關(guān)鍵性技術(shù)快速發(fā)展。2008—2014年，USDA為合成生物學(xué)撥款超過500萬美元[42]。2016年，USDA下屬的國立糧食和農(nóng)業(yè)研究所先后啟動了“植物天然化合物的合成生物學(xué)”“利用生物技術(shù)和合成生物開發(fā)耐旱的生物能源作物”等項目。2021年6月，美國國會參議院通過了《2021美國創(chuàng)新與競爭法案》。在該法案中，合成生物學(xué)名列幾大關(guān)鍵技術(shù)重點領(lǐng)域之一。

英國是較早關(guān)注合成生物學(xué)的歐洲國家且對合成生物學(xué)的資助規(guī)模較大。自2007年起，英國生物技術(shù)和生物科學(xué)研究理事會（Biotechnology and Biological Sciences Research Council,BBSRC）、英國工程和自然科學(xué)研究理事會（Engineering and Physical Sciences Research Council，EPSRC）、技術(shù)戰(zhàn)略委員會（Technology Strategy Board，TSB）等持續(xù)資助合成生物項目，并開展相關(guān)戰(zhàn)略制定與政策研究。2011年，英國政府委托制定了國家合成生物學(xué)路線圖，這是首個國家級合成生物學(xué)路線圖[43]。2009—2015年，英國政府在合成生物學(xué)領(lǐng)域的總投資已經(jīng)達(dá)3億英鎊。2016年2月，英國合成生物學(xué)領(lǐng)導(dǎo)理事會（Synthetic Biology Leading Council，SBLC）發(fā)布了“英國2016年合成生物學(xué)戰(zhàn)略計劃”，目標(biāo)是2030年實現(xiàn)英國合成生物學(xué)100億歐元的市場，并在未來開拓更廣闊的全球市場，獲取更大的價值[44-45]。

澳大利亞對于合成生物學(xué)的關(guān)注相對落后于英、美等國，但在戰(zhàn)略布局上逐漸實現(xiàn)了趕超。2015年澳大利亞政府研究機構(gòu)澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation，CSIRO），建立了合成生物學(xué)未來科學(xué)平臺（SynBio FSP），CSIRO自2016年到2022年直接向SynBioFSP投資了2 770萬美元，其中有410萬美元的花費用在了建立高通量設(shè)施。2021年，CSIRO發(fā)布了《國家合成生物學(xué)路線圖》，指出自2016年以來，澳大利亞在合成生物學(xué)領(lǐng)域公共投資總額超過8 000萬美元，涉及該領(lǐng)域的研究機構(gòu)和創(chuàng)新企業(yè)規(guī)模不斷加大[46]。

綜上，從合成生物學(xué)的布局來看，中國更注重生物制造，英國傾向于建立中心以發(fā)展集群技術(shù)，美國擁有最大的研究和商業(yè)化力量，其在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品方面都在各個方面進行擴張[44]。歐美其他國家，如德國、法國、加拿大等對于合成生物學(xué)還持相對保守的態(tài)度，甚至存在爭議。亞洲國家，如日本、新加坡、印度等處于起步階段或是已上升為國家發(fā)展戰(zhàn)略[47]。在合成生物學(xué)的領(lǐng)域布局上，以上各國都陸續(xù)將“食品與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域”作為重點項目之一，其中對于農(nóng)作物營養(yǎng)品質(zhì)的改良、提高作物抗逆性是主要目標(biāo)。

3.2 建議加強國家頂層設(shè)計，加大植物合成生物領(lǐng)域的資助

對比國內(nèi)外對于合成生物學(xué)戰(zhàn)略布局，以美國和英國為代表的發(fā)達(dá)國家要早于中國，并且是多個國家戰(zhàn)略及科研機構(gòu)進行大規(guī)模、持續(xù)性的項目資助（項目周期達(dá)5～10年），科技研發(fā)與應(yīng)用的領(lǐng)域包括能源、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等與國家安全相關(guān)的重要領(lǐng)域。我國開始大規(guī)模的資助主要來自科學(xué)技術(shù)部，之后國家自然科學(xué)基金委、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等提出其他專項，支持合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中的研發(fā)與應(yīng)用，但資助的規(guī)模不及發(fā)達(dá)國家。并且，相較于發(fā)達(dá)國家多個戰(zhàn)略部門協(xié)同開展大規(guī)模資助，我國對于合成生物學(xué)研究資助主要來自科學(xué)技術(shù)部，且對于植物合成生物學(xué)的研究資助啟動相對較晚。近些年，國家自然科學(xué)基金委員會、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等也相繼出臺了資助項目推動植物合成生物學(xué)的研發(fā)。2019年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織“轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項課題調(diào)增研究任務(wù)申報（2019—2020）”提出，調(diào)增實施的重大課題要聚焦優(yōu)勢資源，突破基因組編輯、智能設(shè)計、多基因定向轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵核心技術(shù)，達(dá)到搶占轉(zhuǎn)基因生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點，強調(diào)了合成生物學(xué)是農(nóng)業(yè)持續(xù)增長的關(guān)鍵和未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。此外，一定規(guī)?？蒲袡C構(gòu)的建立、合成生物學(xué)技術(shù)的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用、相關(guān)法律政策的保障均是推動合成生物學(xué)持續(xù)性研發(fā)和廣泛應(yīng)用的大重要措施。2022年1月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定公布了《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評價指南（試行）》，進一步規(guī)范農(nóng)業(yè)基因編輯植物的安全評價管理，對于我國生物育種技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)推動具有里程碑意義[48]。