植物毒理学文献计量分析及其研究思路与方法评论.pdf
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1、生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第 18 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.18,No.3 Jun.2023 基金项目:广东省科技计划项目(2022B1212040001);广西自然科学基金资助项目(2022GXNSFBA035550,2021GXNSFBA075041)第一作者:冯宇希(1990),男,博士,特聘研究员,研究方向为植物环境态势感知与生物修复技术,E-mail:yu- *通信作者(Corresponding author),E-mail:yu-DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20230109001冯宇希,徐明
2、,阚杰元,等.植物毒理学文献计量分析及其研究思路与方法评论J.生态毒理学报,2023,18(3):213-222Feng Y X,Xu M,Kan J Y,et al.Bibliometric analysis and review of ideas and methodology in phytotoxicology J.Asian Journal of Ecotoxicology,2023,18(3):213-222(in Chinese)植物毒理学文献计量分析及其研究思路与方法评论冯宇希1,*,徐明1,阚杰元2,林钰涓31.香港科技大学(广州)江门双碳实验室,江门 5291992.帝国理
3、工学院自然科学学院,伦敦 SW72BX3.桂林理工大学环境科学与工程学院,桂林 541006收稿日期:2023-01-09 录用日期:2023-02-27摘要:当前植物毒理学研究呈现快速发展的态势,研究人员在环境科学与植物科学主流学术期刊发表论文数量大幅增加,取得了许多重要成果。这些研究从不同角度和尺度揭示了污染物在植物体内的代谢动力学与生物有效性,污染物毒性效应的分子起始事件、关键生化反应、有害结局路径以及生物标志物筛选。然而,这些研究思路和方法上的相似性也带给我们一些疑惑:如何基于这些研究成果进一步找到本领域潜的关键科学问题?本文首先基于 PubMed 文献数据库对植物毒理学相关研究进行分
4、析,得到了该研究领域近 10 年的基本发展态势。此外,还回顾了植物毒理学研究试验基础,从宏观和微观的角度解析了植物表型、生理生化和分子水平的研究思路和方法,也从应用角度阐述了研究降低污染物对植物毒性调控技术的注意事项,以期为研究者提供一些新的思考方向。关键词:环境污染物;植物毒性;文献计量学;毒性评价;缓解毒性文章编号:1673-5897(2023)3-213-10 中图分类号:X171.5 文献标识码:ABibliometric Analysis and Review of Ideas and Methodology in Phytotoxi-cologyFeng Yuxi1,*,Xu Mi
5、ng1,Kan Jieyuan2,Lin Yujuan31.Jiangmen Laboratory of Carbon Science and Technology,Hong Kong University of Science and Technology(Guangzhou),Jiangmen529199,China2.Faculty of Natural Sciences,Imperial College London,London SW72BX,The United Kingdom3.College of Environmental Science&Engineering,Guilin
6、 University of Technology,Guilin 541006,ChinaReceived 9 January 2023 accepted 27 February 2023Abstract:Nowadays,the research advances in phytotoxicology are developing rapidly since many papers havebeen published in the mainstream academic journal of environmental science and plant science.Researche
7、rs have a-chieved lots of significant accomplishments.These researches revealed the metabolic kinetics and bioavailability ofcontaminants in plants with different perspectives and scales.Moreover,the molecular initiation event of toxiceffects of contaminants,key biochemical response,detrimental effe
8、ct pathway,and selection of biomarkers were in-vestigated.However,the similarity of the research ideas and methods also brings doubts,that is,how to find the214 生态毒理学报第 18 卷underlying scientific questions in this field through these current studies?Therefore,this review intends to(1)ana-lyze the dev
9、elopment of research on plant toxicology in this decade based on the PubMed literature database;(2)review the experimental basis of plant toxicology research;(3)explore the research designs and methods on plantphenotype,physiology,biochemistry,and molecular level from the macroscopic and microscopic
10、 perspectives;(4)explain the attentions involved in reducing the toxicity of contaminants to plants from the application perspectives.Overall,this study provides some new thinking orientations for investigating phytotoxicology in the future.Keywords:environmental pollutants;plant toxicology;bibliome
11、tric;toxicity evaluation;mitigation of toxicity“植物毒理学(Plant Toxicology 或 Phytotoxici-ty)”是 2019 年全国科学技术名词审定委员会公布的植物学名词(植物学名词,第二版),可以说这是一门较年轻的研究领域,它立足于植物科学和毒理学,随着环境生态问题的日益突出而发展起来。植物毒理学主要研究化学物质(如高浓度化肥、有机污染物、无机污染物、重金属、纳米材料乃至微塑料)对植物的毒性反应、严重程度、发生频率和毒性作用机制。作为一门具有应用价值的交叉学科,植物毒理学致力于识别、评价和控制化学物质对该食物链上的生物及生态系
12、统潜在危害,在生态文明建设中扮演极为重要的角色1。随着科学技术的发展及各学科的交叉融合,各类与植物研究相关的“组学”(如植物表型组学、离子组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学等)横空出世,从植物表型、生理生化和分子水平等多角度多尺度地揭示了各类化学物质对植物生长发育的影响机制2-3。但是这些研究方法和研究思路上的共通性也带给我们一些疑惑:即如何发现本研究领域关键科学问题,从而避免“为毒理而毒理”“为热点而热点”的研究思路?如何挖掘核心数据,从而避免各种高精尖技术堆砌的“高水平”重复?笔者根据自身研究经验,并基于这 2 个共性问题,对当前植物毒理学的研究思路和方法进行了评述,阐述了植物毒理学潜在研
13、究热点和未来挑战,以期为本学科研究和发展提供新的思路。1 植物毒理学研究与发展基本态势(Basic situationof research and development for phytotoxicology)基于 PubMed 文献数据库,使用赛特新思数据分析平台(),对 2012-01 至 2022-12关于植物毒理学研究进行文献分析及大数据挖掘(检索关键词仅为“phytotoxicity”),梳理该领域的发展历程,分析研究主题的热点词语等,旨在对 phyto-toxicity 相关领域研究进行系统综述和趋势展望,探讨当前的研究动态及热点。(1)年度发文趋势:2012-01 至 202
14、2-12 的文献有3 196 篇,文献年均发文量 291 篇。由图 1(a)可知,2021 年达到年发文量顶峰 528 篇,2020 年增长率最快为 24.21%,说明该领域的研究得到快速发展,处于快速上升阶段。(2)研究国家分析:全球在 Phytotoxicity 研究领域发文量前 93 的国家如图 1(b)所示(圆圈越大说明发表论文越多),在该领域发文量最多的国家是中国(976 篇,30.54%)、印度(372 篇,11.64%)和美国(337篇,10.54%)位居第二和第三,说明我国在植物毒理学领域做出了重要贡献。(3)发文期刊分析:以 phytotoxicity 为关键词搜索,发文量排
15、名前十的期刊见图 1(c),其中刊载文献量最多的期刊是Chemosphere(刊载文献量 261 篇);?Environ.Sci.Pollut.Res.Int.位居第二(刊载文献量?255 篇);Ecotoxicol.Environ.Saf.位居第三(刊载文献?量 215 篇),说明这些杂志对这一主题较为青睐。但值得思考的是,学术界内公认的顶刊如Nature、Sci-ence和Cell很少发表植物毒理有关论文。(4)关键词热点词频分析:关键词的分析能够反映某一研究领域某一时间段内主题演变趋势和研究热点。由图 1(d)可知,出现频次前 5 的关键词分别是:“Oxidative stress”“P
16、hytoremediation”“Toxicity”“Cadmium”“Biochar”,说明氧化胁迫损伤、植物修复和毒性效应等是植物毒理学研究热点。然而,这些热点词汇也限制了我们对植物毒性的“想象”。故应该思考如何突破这些研究热点词汇限制,找到植物毒理学研究的重点、热点和亮点。2 植物毒理学研究的科学价值和应用价值(The sci-entific and application values for phytotoxicology)植物是生态系统中的初级生产者,在生态系统中居于最重要地位。所有引入的污染物最终都会通过生物地球化学循环进入各类生态系统。植物被认为是这些污染物“完美的示踪者”,常
17、被选择用于污染物生态毒性评价4-5。植物毒理学是以植物为研第 3 期冯宇希等:植物毒理学文献计量分析及其研究思路与方法评论215 图 1 植物毒理学研究与发展基本态势分析注:(a)年发文趋势;(b)研究国家分析;(c)发文期刊分析;(d)关键词热点词频分析。Fig.1 Bibliometric analysis for phytotoxicityNote:(a)Annual publication trend;(b)Country distribution analysis;(c)Analysis of published journals;(d)Keywords/hotwords frequ
18、ency analysis.究对象,揭示各类化学品(特别是污染物)对植物生长、生理或代谢的任何不利影响的机制或机理,在污染物和环境生态风险之间建立一座可评价的桥梁。就科学价值,研究植物毒理学不仅能够推动植物科学、毒理学、环境科学和污染生态学等其他学科发展,还能促进相关学科交叉融通,如计算毒理学还需要有计算机科学的支持。就应用价值,植物毒理学是耕地安全利用评价的重要步骤、实施植物修复的关键基础及生态风险预警和评价的核心方法。3植物毒理学研究的试验基础(Experimental ba-sis for phytotoxicology)3.1 污染物的类别与选择不同环境介质能够富集不同类型的污染物,很
19、多污染物都会进入土壤生态系统,进而被植物所吸收,最终影响作物生长发育(图 2(a)。污染物类别及性质决定了其与植物体内某些物质的亲和性,使不同污染物对植物毒性机制也截然不同。在选择目标污染物时要同时考虑其物理属性(如放射性)、化学属性(如稳定性、酸碱性、氧化还原性和腐蚀性)、生物属性(如吸收累积特性、降解特性、耐受性和毒性)和环境属性(如量级特征、环境因子、时空分布、活性和持久性)。按照污染物类型,可将植物毒理学中广泛研究的污染物大致分为以下几大类。(1)元素型污染物:重金属(如汞、镉、铅、铬)、准金属(如砷、碲、锑)、稀土元素(如镧、铈)、稀散元素(如镓、锗、硒、镉、铟、铊)和放射性元素(如
20、铀、铯、钍、镭、锶)等。(2)持久性有机污染物:杀虫剂、多环芳烃、多氯联苯、二噁英和呋喃等。(3)无机污染物:高浓度化肥、氰化物、硫氰化物、一氧化碳、氮氧化物和硫化氢等。(4)新兴污染物:微塑料、纳米塑料、纳米金属颗粒、环境内分泌干扰物、抗生素、抗性基因、药品和个人护理用品、全氟和多氟烷基化合物等。(5)二元及多元混合污染物:以上污染物的混合。污染物的选择影响着后续的研究思路,研究初期应充分考虑和对比目标污染物的各种属性,避免随机选择。216 生态毒理学报第 18 卷图 2 植物表型、生理生化和分子水平的研究关系注:(a)环境中的潜在污染物举例;(b)胁迫导致的植物生理生化和分子应答,从而改变
21、植物表型;(c)不同胁迫下植物生理生化和分子的共同应答网络。Fig.2 The relationship among plant phenotype,physiology,biochemistry and molecular levelNote:(a)Examples of potential pollutants in the environment matrixes;(b)Stress-induced response of plant physiological,biochemical and molecular,thereby modifying plant phenotypes;(c
22、)Common and specific responsenetworks of plant physiology,biochemistry and molecules under different stresses.3.2 测试植物的选择明确植物毒性测试目的是选择测试植物的关键步骤,包括以下一些方面。(1)以污染物毒性评价为目的:可考虑选择污染区域内或周边的植物进行评价。(2)以生态预警为目的:可考虑采用对污染物敏感的植物作为预警植物,并筛选相关生物标志物。(3)以植物修复为目的:以超富集植物为对象进行研究,如砷超富集植物蜈蚣草6、锌超富集植物东南景天7、铬超富集植物李氏禾8、锰超富集植物
23、商陆9和镉超富集植物龙葵10等。(4)以农产品安全为目的:以农作物或者蔬菜为研究对象,如水稻、玉米、小麦、大豆、番茄、白菜、菜心、生菜和胡萝卜等,特别注意近年来发现的一些低累积污染物作物品种正成为研究热点11。(5)以提高耕地安全利用率为目的:首选经济植物和先锋植物。可见,植物的选择同样影响后续的研究思路,应避免换一种污染物或换植物就是一项“新”研究的套路型研究思路。3.3 培养介质、暴露方式和途径根据植物的生长特性以及实验条件,可以使用不同类型的培养介质。一般可将培养介质分为固体培养介质(如土培、沙培、基质培养和培养基培养)和液体培养介质(如霍格兰营养液和纯净水培养)。培养场景主要分为人工气
24、候箱培养、温室盆栽培养和大田培养,且应分别注意这 3 种场景下植物对温度、第 3 期冯宇希等:植物毒理学文献计量分析及其研究思路与方法评论217 湿度、CO2浓度和光照强度等的需求。在实验室严格控制条件下,更能直观地观察到植物对污染物的反应,适用于植物毒性机理研究。大田试验则更接近于真实情况,但由于外界环境复杂、干扰因素多,常导致所期望的规律不明显。温室培养则是一种取其中的方法。此外,还应该充分考虑污染物对植物的胁迫浓度、胁迫途径(根部暴露或叶片熏蒸暴露)和胁迫时间。若使用污染物效应浓度(effective con-centrations)则考虑采用水培急性毒性实验,胁迫时间一般为 1 4 d
25、;若模拟污染物环境浓度则考虑采用土培慢性毒性实验,胁迫时间一般为植物半个或者整个生长周期。4植物毒理学宏观与微观的研究思路与方法(Macro and micro research ideas and methods forphytotoxicology)4.1 植物表型水平的研究植物表型(phenotype)受基因组和环境因素决定或影响,能够反映植物生长发育过程及结果的所有物理、生理、生化特征和性质3。它是生物学,特别是植物学和遗传学研究的一个重要领域。目前,植物表型的研究范畴已从“能否通过肉眼观测”扩大到“能否通过仪器分析检测”12-13,即从对植物形状、结构、大小和颜色等的认识扩大到生理生
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