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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2013年第11期
19 世纪以来，物理、化学、数学等基础科学
的理论和技术的发展，提供了许多新的技术和手
段，产生了许多交叉学科。生命科学技术便是其中
之一。生命科学始于 20 世纪 50 年代，英国物理学
家克里克和美国生物学家沃森在《Nature》杂志发
表了 DNA 分子双螺旋结构模型。随后分子生物学开
始兴起并对农业、工业和医药领域的发展产生了巨
大影响。进入 70 年代，随着限制性内切酶的发展和
DNA 杂交技术的应用，分子生物学得到了进一步发
展，进入到基因工程这一新领域，生物技术通过对
DNA 链的精准剪切与有目的地重组，使改良生物的
性状与质量成为可能。随后由于电子计算机的飞速
发展，使人类有能力破译自身的遗传密码，不仅包
收稿日期 ：2013-06-14
基金项目 ：十二五国家科技支撑计划课题（2011BAH10B06）
作者简介 ：郝心宁，女，博士研究生，研究方向 ：信息管理 ；E-mail ：xinninghao@gmail.com
通讯作者 ：张学福，男，博士生导师，E-mail ：zhangxf@caas.net.cn
生物育种领域知识结构演化分析
郝心宁  孙巍  张学福
（中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081）
摘 要 ： 生物育种技术经历了漫长的发展，从最早的常规杂交育种方法发展成为以遗传学、细胞生物学、生物工程学等学
科为基础理论的现代生物技术。生物育种领域包含了作物育种和植物育种研究方向，对生物育种研究领域 2008-2012 年间知识结
构演化进行分析，对该年间研究主题的变化情况、著者合作情况以及国家合作情况进行了详细描述和展示，并对生物育种研究领
域的发展前景和研究方向进行了预测。
关键词 ： 生物育种 知识结构 知识演化 合作网络 主题演化
An Analysis of Knowledge Structure Evolution on
Biological Breeding Field
Hao Xinning Sun Wei Zhang Xuefu
（Agricultural Information Institute of CAAS，Beijing 100081）
Abstract:  Biological breeding technology has undergone a long development. From the earliest traditional cross breeding method develop
to modern biological techniques, which consist of genetics, cell biology and bio-engineering basic theories. Biological breeding research field
includes crop breeding and plant breeding research area. The evolution process of knowledge structure between 2008 and 2012 in biological
breeding field was analyzed in this research. Described and displayed in details on the changes of research topic, co-author and country
cooperation networks. Finally, development foreground and research directions were discussed.
Key words:  Biological breeding Knowledge structure Knowledge evolution Cooperation network Topic evolution
括人类的基因组，也包括动物和植物的基因组，例
如水稻、玉米、小麦等物种的基因组。当下，人类
已进入了后基因组以及蛋白质组学时代，大规模地
开展蛋白质等生物大分子的结构与功能研究。
生命科学技术在农业领域的应用甚广，其中比
较显著的领域有农作物育种、动物疫苗、生物饲料
和生物农药等。而生物育种又是目前发展最快、应
用最广的一个领域。生物育种是指利用遗传学、细
胞生物学、现代生物工程技术等方法原理培育生物
新品种的过程。可培育出具有优良性状的生物新品
种，提高农作物产量和品质。生物育种技术跟随生
命科学的发展历程也经历了漫长的发展过程。常规
育种方法包含杂交育种、杂种优势利用等方法，随
2013年第11期 187郝心宁等 ：生物育种领域知识结构演化分析
着分子生物学的发展和应用，细胞工程育种、基因
工程育种等方法也相继发展起来。此类方法育种周
期短、针对性强、适用范围广，因此迅速发展起来。
其中转基因育种被认为是人类有史以来发展最快的
技术之一，该技术于 1985 年首次用于研制转基因作
物，在随后的几十年间，从以抗除草剂和抗虫性为
主的第一代转基因作物正逐渐过渡到依靠自身特性
进一步提高产量的第二代转基因作物［1］。同时随着
蛋白质组基因组学的发展，又产生了分子标记育种、
分子设计育种、基因组重测序等方法。分子标记技
术辅助育种缩短了育种年限，提高育种效率。而分
子设计育种则是以生物信息学为平台，利用基因组
学和蛋白组学，根据具体作物的育种目标和生长环
境，先在计算机上设计最佳方案再进行试验的新型
育种方法［2］。
育种技术从最初常规育种方法到转基因育种时
代再到近些年的分子标记、全基因组重测序等方法，
现已形成多学科交叉、多种方法并存的格局。目前
大部分作物生产还采用常规育种方法，但该种方法
需要时间较长，育种过程也比较复杂，通过改良品
种可以提高作物产量但当作物单产量到达瓶颈阶段
时若要进一步提高单产，对新品种就提出了更高的
要求，这就需要在常规育种的基础上利用生物技术。
因此在育种领域，不管何类作物都将不可避免的广
泛的使用生物技术。科学技术的飞速发展使得生物
育种领域研究面临的问题也日益复杂，各个学科交
错互融，某个学科领域的发展也会对其他领域产生
巨大的影响，从而影响到生物育种领域大方向的转
变。生物育种科学经过半个多世纪的飞速发展，科
技文献数量迅猛增加，本研究利用图 1 所示方法，
从海量文献中，经过过滤和一系列加工步骤，对生
物育种领域近些年的发展情况进行分析，详细展示
领域内各个学科的发展状态与主要研究方向，发现
生物育种领域各学科之间的交叉和融合，对生物育
种领域未来的发展趋势进行了预测。
本研究选择 SCI 的网络版 web of knowledge 对研
究主题为 biological breeding（s）、crop breeding（s）、
plant breeding（s） 以 及 bio breeding（s） 方 向 的 文
献进行检索，以图 1 所示，构建了生物育种领域知
识构成分析流程，将 2008-2012 年间生物育种领域
知识构成的变化情况进行分析。本研究首先对标题、
关键词和摘要 3 部分的词语进行统计，作为分析生
物育种领域知识构成的主题词语集合，并将作者和
国家一并进行统计，以辅助说明生物育种领域知识
结构变化和流动的原因。在分析中采取共词分析方
法，按共现次数生成矩阵并采用 k-means 聚类法，
最终实现可视化图形。
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图 1 生物育种领域知识结构分析流程
1 生物育种领域涉及的学科和研究方向
2008-2012 年间生物育种领域共发表 8 653 篇文
献，在每篇文章可属多个研究方向的前提下，2008-
2012 年间，所有文献涉及到农业、生物、环境、化
学、食品等学科的 63 个研究方向，其中所占比例最
大的为农业方向，总共有 3 757 篇文献，占全部文
献量的 43.4%，植物科学、遗传学和微生物工程学
分别以 34.1%、14.3% 和 10.0% 位居第二至第四位，
此外还有环境生态学、生物化学与分子生物学、动
物科学、食品科学等研究方向，但所占比例均低于
10%（图 2）。由此可见，生物育种领域的理论和技
术知识涉及到了多个学科的大部分研究方向，主要
集中在农业、植物、遗传和环境等学科方向，是一
个高度交叉的学科领域，要求研究者具有较丰富的
研究背景和扎实的研究理论。
2 生物育种领域的研究主题情况
生物育种研究领域包括作物育种和植物育种两
个子领域，产量增长是现代农业育种中的主要目标。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第11期188
图 3 所示 2008-2012 年间，生物育种领域的研究以
分子标记辅助育种、基因组学、安全评价、种质资
源选择以及抗逆品种选择等相关研究方向为主 ；从
品种上看，主要以水稻、大豆、番茄等为主 ；而在
技术方面则以转基因、分子标记、基因组学相关技
术为核心。
2008-2012 年间，生物育种领域的核心研究主
题比较固定，均为分子标记辅助育种、基因组测序
以及种植资源选择 3 个方面。作物质量的形状则由
单基因控制［3］，而其他重要性状，如产量、品质和
抗性等数量性状由多个基因控制，表现形式为连续
变异，且受环境影响较大。从生物学角度看，多基
因控制的性状的遗传基础更为复杂，需要靠分子标
记技术来辅助育种［4］。这也是为什么主题网络中与
分子育种相关的主题每年同样也会处于网络核心位
置的原因，该主题类是当下生物育种领域最受关注
的研究方向。分子标记是一种遗传标记，由最早的
形态标记、细胞学标记、生化标记 3 个阶段发展而来。
分子标记技术是一种以遗传标记，分子多态性为基
础技术，反映了物种表现型的遗传多态性分布。20
世纪后期，分子标记技术得到了迅猛的发展，广义
分子标记定义指通过检测 DNA 序列或蛋白质得到的
可遗传的物质，狭义的分子标记定义仅指 DNA 分子
标记。该技术即可以检测物种内的遗传多样性，也
可以在不同物种间进行比较。目前广泛应用的 DNA
分子标记有限制性片段长度多态性（RFLP）、随机
扩增多态性 DNA（RAPD）、扩增酶切片段长度多态
性（AFLP）、简单序列重复长度多态性（SSR）和单
核苷酸多态性（SNP）等［5］。从主题网络看，最近
几年 QTL 定位方法相关的主题聚类，一直处于网络
核心位置，SSR 相关技术于 2008-2010 年一直在核
心主题内出现。
在一般研究主题中，2008 年为抗旱耐盐抗逆品
种选育、生态安全、转基因技术减少镰刀霉病菌、
授粉繁殖等。2009 年的一般研究主题为生态安全
评价、芸苔属蔬菜抗病、抗逆品种选育、转基因技
术与镰刀霉、授粉繁殖等方面，其中 SNP 技术首次
出现于主题网络内，RAPD 和 PCR 相关主题消失，
表明从该年起，SNP 相关研究主题开始大量涌现。
2010 年一般研究主题为拟南芥遗转基因研究、自交
授粉、栽培稻耐盐抗旱抗逆品种选育、生态环境评
价等方向，其中拟南芥相关研究主题首次出现在网
络内，RAPD 相关主题消失两年后重新出现在网络
内。2011 年的一般研究主题为气候变化对生物量的
影响、体外繁殖与克隆再生技术、水稻小麦玉米的
抗逆品种选育、拟南芥转基因研究、生态评价，其
中 PCR 相关主题重新出现在主题网络，于棉花以及
栽培稻抗病研究中应用，SSR 分子标记技术类主题
消失。2012 年一般研究主题为拟南芥遗传调控研究
代谢途径研究、回交转育、抗逆品种选育、转基因
检测技术、授粉繁殖和外来物种入侵与生态多样性
保护等研究主题。
综合图 3 各主题网络可知，近些年随着新一代
高通量测序技术应用的越来越多，黄瓜、白菜、棉
花、水稻、大豆和烟菜的基因组测序都已完成，这
就为重新设计遗传图谱和基因组分析中的基因分型
提供了机会，借助生物信息学的分析工具和分析方
法，更好地为生物育种领域所用，因此与基因组学
相关的研究主题例如 QTL 定位构建连锁图谱等研究
主题，一直处于生物育种领域的核心位置［6，7］。
从品种上分析，本领域研究比较度比较深入的
品种为水稻方面的主题。水稻相关主题研究在网络
中出现的次数也比较多。水稻作为亚洲人的主要食
品，继 2002 年水稻全基因组和四号染色体测序完成
之后，中国在植物基因组研究方面继续取得重大进
展［8］，与水稻相关的文献增长迅速。众多国内外研
究学者在水稻产量决定的遗传机制和作物基因组研
究方面获得了一系列突破，研究涉及水稻株型功能
基因组、水稻开花控制和种子发育、生殖隔离机制以、
水稻农艺性状的遗传调控等方面都有突破［9，10］。此
50
40
30
20
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图 2 2008-2012 年生物育种领域发表文献所属研究方向
（数据来自 SCI 数据库）
2013年第11期 189郝心宁等 ：生物育种领域知识结构演化分析
外还围绕基因与基因进化，水稻基因组学分析，并
且由基因组学进入了蛋白质组学领域［11］。2000 年
以来，中国学者在生物育种领域的论文被 SCI 收录
的数量逐年上升，按发表学者的国家统计，中国现
已升至第二位，因此也带动了与水稻相关研究主题
的发展。其他作物植物，如大豆、玉米、番茄和马
铃薯也是生物育种领域这些年研究比较多的品种。
拟南芥作为一种模式植物，近些年围绕其相关
的研究逐渐增多，特别是拟南芥转基因研究非常热
门，此种模式植物基因组简单、生命周期短，特别
适合进行遗传分析、基因克隆和功能研究，可对农
作物抗逆和环境保护等研究领域起重要作用［12］。
由于环境污染导致土壤酸化对农业生产造成严
重威胁。主题网络显示，土壤生态学研究方向一直
是生物育种领域的固定研究主题。干旱影响植物生
长和农业产量，而非生物胁迫的适应激励，对干旱
氧化、盐以及冷胁迫都需要更好的突破。同时在二
代转基因研究中，重点的关注方向已由早期的抗除
2008 2009
2010 2011
2012
图 3 2008-2012 年生物育种领域的主题网络
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第11期190
草剂发展到适应环境、抗旱耐盐碱、改良品质方向。
3 生物育种领域的作者合作情况
科研合作可在同领域或不同领域的学者相互配
合，是将小范围的资源和知识传播出去的有效途径，
核心作者处于整个合著网络的中心位置，在合著
网络中起关键作用，对于提高整体科研实力等方面
发挥着重要作用。生物育种领域作者合作的情况在
2000 年以前都是以小范围间合作发表论文的方式为
主，合作小团体中的成员数也比较少，各个团体之
间相互不联系，随后合作的方式开始发生变化合著
量开始增长，学术团体明显增多，并且有些学术团
体数量比较多，小团体间联系也逐渐增多，2008 年，
各学术团体联系较少，但随着著者间的协作趋势继
续向团体化、团体之间网络化协作靠近。到 2010 年，
著者网络发生了明显变化，团体之间的协作愈加密
切，绝大部分著者形成了以某个著者为中心向外扩
散，最终形成了一个大的协作网络，包含了网络内
大部分的著者（图 4）。由此可以看出，在发展后期，
学者间的学术交流范围不断扩大，大部分高产作家
都是通过与他人合作共同完成文献发表的。随着生
物育种领域的发展，合作团体正逐渐朝着集中化发
展，领域内的重要学者间都有不同程度的合作，研
究方向一致，而另几个合作人员较少但是发文量较
大的合作团体中，一直保持未有变化，可能是该合
作团体关注特定的研究方向，且研究较深入并获得
2008 2009
2010 2011
2012
图 4 2008-2012 年生物育种领域的作者合作网络
2013年第11期 191郝心宁等 ：生物育种领域知识结构演化分析
了一定认可，处于生物育种领域内不可或缺的地位，
所以既未有其他学者融入同时该团体发文量较大，
因此未从著者合作网络中消失。
4 生物育种领域的国家合作情况
生物育种领域文献发表量排名靠前的国家以欧
洲和北美国家为主，长期以来，美国一直居于首位，
日本、印度等亚洲国家可进入 TOP10 名单，但处于
排名相对偏后的位置。中国自 20 世纪 90 年代起，
与其他国家的交流逐渐增多，随着研究实力的提高，
自 2003 年开始，发文量稳步提高，至 2006 年成为
了仅次于美国排名第二的国家。总体说来，本领域
内技术雄厚的仍然以欧洲和北美国家为主。
美国长期以来一直处于生物育种领域的核心地
位，大部分国家与美国有学术上的合作关系。而中
国虽然在发文量上逐渐增多并升至第二位，但在合
作网络中与其他国家的交流并无显著增长，大部分
属于本国内部的合作交流。图 5 展示了生物育种领
域内各国家间的合作情况，越是处于网络中心位置
的国家，在领域内越占有重要的地位。2008 年的网
络中，美国、中国、荷兰和德国等国家属于一个聚类，
英国、比利时等欧洲国家同属一个聚类，同一聚类
内的国家合作较为频繁。在 2008-2011 年间，生物
育种领域中，合作最广、合作次数最多的国家为美
国，但是 2012 年中国超过美国成为了合作次数最多
的国家，合作范围也从之前以欧洲、亚洲国家以及
美国为主的状况扩大至非洲和南美的国家中。英国、
德国和法国作为传统的科研实力雄厚的国家，与其
他国家的交流也比较多，2008-2010 年间，该类国
2008 2009
2010 2011
2012
图 5 2008-2012 年生物育种领域的国家合作网络
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第11期192
家与区域内其他国家的交流比较多，与大部分论文
量产量比较大的欧洲国家都建立起联系，2011 年起，
逐渐也与南美、非洲、大洋洲的国家建立了合作关系。
5 结语
近些年，生物育种领域的研究以分子标记辅助
育种、基因组学、种质资源选择相关研究方向为主，
外来物种入侵与生态多样性保护、抗逆品种选育、
抗旱改良以及转基因改良育种等几个研究方向虽然
属于中等规模主题，但几年间一直稳定存在 ；从品
种上看，主要以水稻、大豆、番茄等为主 ；而在技
术方面则以转基因、分子标记、基因组学相关技术
为核心。欧美等技术强国在生物育种领域的研究中
一直处于领先地位，美国是本领域技术的核心国家，
与世界大部分国家有学术上的合作关系，中国近些
年在本领域逐渐地位逐渐上升，与其他国家交流频
繁，并于 2012 年首次超过美国成为合作发表文献最
多的国家，本领域的专家学者间的交流与合作也逐
渐增多，近年已形成大的合作团体。
随着基因组学、代谢组学理论的发展，以及高
通量测序和重测序技术的日渐成熟，未来生物育种
领域，将继续以分子标记辅助育种、全基因组重测
序技术以及抗逆耐盐抗旱品种选育 3 个研究方向为
主。各个国家间的交流也将越来越频繁，从而更好
地带动生物育种领域的发展。
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（责任编辑 马鑫）