農業科學、植物學和動物學
1.熱點前沿及重點熱點前沿解讀
1.1農業科學、植物學和動物學領域Tp10熱點前沿發展態勢
農業科學、植物學和動物學領域居于前十的熱點前沿主要分布在食品科學與工程、植物基因組與編輯、動物傳染病、健康飲食、植物進化、植物抗病研究等六個子領域(表1)。其中，食品科學與工程子領域有3個熱點前沿，分別在研究肉制品加工中植物抗氧化劑的應用、多功能食品智能包裝膜、褪黑素在果實儲藏中的應用。植物基因組與編輯子領域也有3個熱點前沿，分別在研究茶樹基因組、植物泛基因組及動植物堿基編輯器。動物傳染病、健康飲食、植物進化、植物抗病子領域各有1個熱點前沿，分別在研究非洲豬瘟的流行病學和病毒學、間歇性禁食的影響、早期陸地植物進化、植物免疫受體NLR(富含亮氨酸的重復受體蛋白）及其介導的抗病機制。與往年相比，2021年入選的Top10熱點前沿再次凸顯近年食品科學與工程子領域的熱點前 沿較受關注，其中智能包裝持續出現兩次，2020年重點在研究食品智能包裝薄膜的制備與表征，2021年重點在研制多功能食品智能包裝膜。此外，動物傳染病研究也在近兩年持續出現，2020年重點研究豬圓環病毒，2021年重點研究非洲豬瘟。此外，2021年首次出現了有關飲食方式的研究，即間歇性禁食對健康、衰老和疾病進程的影響。
1.2重點熱點前沿“植物泛基因組研究
泛基因組是指存在于整個物種或群體而不是單個個體中的所有基因組序列的集合，分為核心基因組和附屬基因組。核心基因組的序列存在于所有個體中，附屬基因組序列僅存在于某個或某些個體中。近年來，隨著不同物種參考基因組的公布及同一物種內不同個體基因組間的比較研究，人們逐漸認識到每個個體都有非常具個性特征的遇傳性狀，單一參考基因組并不能代表物種內的多樣性，因此出現了泛基因組這一概念。該概念最初于2005年由美國馬里蘭大學醫學院微生物與免疫學系、基因組科學研究所的Herve Tettelin等人在做生物組學領域提出，之后很快被拓展并應用于動植物基因組學領域，有專家2019年發表綜述文章指出，隨著泛基因組從細菌到植物和動物的應用，基因組研究進入了泛基因組學時代。泛基因組研究對充分挖掘生物遺傳變異資源、鑒定品系特有性狀調控基因、培育更適應不同環境和高質優產的農業動植物品種等意義重大。
該前沿共有核心論文16篇，包括13篇研究性論文和3篇綜述性論文。13篇研究性論文的研究對象涉及甘藍型油菜、番茄、水稻、小麥和向日葵等，主要研究內容包括：甘藍型油菜泛基因組的結構和生態型分化、組裝與比較及抗病基因的鑒定，基于泛基因組研究的番茄水果風味基因的挖掘及拉丁美洲栽培番茄的馴化歷史，栽培稻和野生稻的基因組變異，向日葵的遺傳多樣性及栽培種與野生種的親緣關系等。3篇綜述性論文主要綜述了植物泛基因組學的研究方法、在作物改良中的應用和研究進展，并探討了基因存在和缺失變異的起源，及泛基因組對植物生物學、育種和進化研究的影響等。在這16篇論文中，被引頻次最高的1篇是研究性論文被引用了252次(圖2)。該論文于2018年發表在《 Nature》期刊上，由來自中國農業科學院、國際水稻研究所、上海交通大學、深圳華大基因、美國亞利桑那大學等機構的研究人員合作完成，研究了3010個亞洲栽培水稻基因組的遺傳變異、群體結構和多樣性，為水稻基因組學研究和育種提供了重要資源。
核心論文Top10產出國家和機構中(表2),澳大利亞貢獻率最高，超過一半，為56.3%;排在第二位的中國，貢獻率也較高，為43.8%;美國貢獻率為37.5%,排名第三。澳大利亞的西澳大利亞大學在Topl0機構中名列第一，貢獻率為43.8%;中國的中國農業科學院貢獻率為31.3%,位列第二。
施引論文產出國家和機構中(表3),核心論文產出排名第二的中國貢獻最大，占比近4%;核心論文產出排名第三的美國排第二,占比近23%;核心論文產出排名第一的澳大利亞排名第三，占比約12%。中美澳在核心論文和施引論文貢獻方面均名列前三，表現突出。施引機構方面，中國的中國農業科學院、中國科學院、華中農業大學依次排名前三。
1.3“重點熱點前沿“動植物堿基編輯器研究”
堿基編輯器( Base Editor)是基于 CRISPR/Cas基因編輯系統發展起來的新型靶基因修飾技術，可以在不切斷核酸骨架的情況下實現單核苷酸定點突變，在基因組和轉錄組編輯過程中能夠直接化學修飾靶核堿基。有專家認為，如果說 CRISPR是基因編輯的皇冠，那么堿基編輯器就是皇冠上的明珠。2017年，哈佛大學 David Liu教授因創建新型堿基編輯器被評為“Science年度十大突破”，并入選“ Nature年度十大人物”該前沿共有核心論文46篇，其中42篇發表在《 Nature》、《 Science》或其子刊上。研究主要集中于DNA堿基編輯器，其中研究胞嘧啶堿基編輯器的論文偏多，研究腺嘌呤堿基綿輯器的論文數量相對較少。編輯對象涉及小鼠、斑馬魚、擬南芥、水稻、小麥、玉米、番茄、甘藍型油菜、馬鈴薯等。對小鼠、斑馬魚和擬南芥的基因編輯主要是將其作為模式動植物開展研究，旨在改進堿基編輯或者構建人類疾病模型。對水稻、小麥、玉米、番茄等作物的編輯應用，主要是為了建立相應的編輯技術實現作物遺傳改良，其中對水稻進行堿基編輯的研究應用較多。在這46篇論文中，被引頻次排名前2位的分別被引了1174次和786次，均是哈佛大學教授David Liu團隊的論文。第1篇論文即首度報道構建出一種新的堿基編輯器的論文，該論文于2016年發表在《 Nature》上開發出了胞嘧啶堿基編輯器（ Cytidine base editors CBEs),將G.C堿基對變換為T.A堿基對。第2篇論文，于2017年發表于在《 Nature》上報道了他們開發的腺嘌呤堿基編輯器（ Adenine Base Editor,ABEs),實現了腺嘌呤編輯，即A.T堿基對變換為G.C堿基對，這兩篇論文意味著利用堿基編輯器可以實現堿基之間的自由轉換。
核心論文產出國家和機構分析顯示(表4),主要來自5個國家，分別是美國、中國、韓國、日本和德國，其中美國貢獻率最高，有32篇，占比近70%;其次是中國，有14篇，占比約30%;其余三國貢獻5篇或以下。機構中，美國的哈佛大學、麻省理工學院和博得研究所名列前三，占比分別為47.8%、37%和37%。
總體而言，美國在該前沿表現突出，占據明顯優勢。41%,中國與核心論文排名一樣，依然排在第二位，占比約為28%。其后依次是德國和英國，占比為6%左右。中國科學院、哈佛大學和麻省理工學院在機構排名中位于前三占比在5%~10%之間。
2.新興前沿及重點新興前沿解讀
2.1新興前沿概述
農業科學、植物學和動物學領域有4個方向入選新興前沿(表6),聚焦農田士壤污染修復和植物抗逆研究。
2.2重點新興前沿解讀一“產ACC脫氨酶根際促生菌對作物干旱脅迫的緩解作用
一直以來，植物與微生物的有益互作，尤其是植物根際促生菌(PGPR)如何調控和影響作物抗早性，是旱作農業重點關注的問題之一.其中含1-氨基環丙烷·1羧酸(ACC)脫氨酶活性的植物根際促生細菌更是目前國內外的研究熱點之一，其在促進植物生長，延緩植物衰老和增強植物抗逆性等方面具有廣闊的應用前景。ACC脫氨酶具有降解乙烯前體物ACC,能有效抑制割乙烯的生物合成，達到延緩植物衰老的效果。用含ACC脫氨酶的PGPR接種植物，可降低乙烯含量，從而減輕非生物脅迫對植物生長和發育產生的影響該新興前沿共有核心論文6篇，主要研究內容包括：干旱脅迫下產生ACC脫氨酶的PGPR對小麥生長和產量參數的影響；在無菌條件下篩選含可以提高玉米耐旱性的ACC脫氨酶的PGPR;含ACC脫氨晦的PGPR和生物炭的聯合施用對緩解小麥干旱，及干旱脅迫下提高玉米生長和生產力的有效性等。
生態與環境科學
1.熱點前沿及重點熱點前沿解讀
1.1生態與環境科學領域Top10熱點前沿發展態勢
生態與環境科學領域的Top10熱點前沿主要分布在生態科學和環境科學兩個子領域(表7和圖4),全球性的生態環境問題及新冠肺炎疫情相關的生態環境問題是主要關注點。
具體來看，環境科學子領域的熱點前沿主要涉及新冠肺炎疫情相關環境研究，空氣污染相關研究，及全氟化合物、汞、微塑料等全球性傳統和新污染物的環境特征、風險與控制研究。2020年新冠肺炎疫情在全球肆虐，該領域的2個熱點前沿展現了新冠肺炎疫情與環境的相互影響，包括“空氣、水體物體表面等環境中新型冠狀病毒的檢測與傳播”和“新冠肺炎疫情期間的封鎖隔離措施對空氣質量的影響”。空氣污染是2021年熱點前沿的焦點，相關前沿包括3個，分別是“低成本大氣顆粒物傳感器性能評估”、“氣溶膠與大氣邊界層相互作用及其對空氣質量的影響和“全球空氣污染造成的死亡率和疾病負擔估計”。
其中，“氣溶膠與大氣邊界層相互作用及其對空氣質量的影響”相關研究曾入選2020年的熱點研究前沿。此外，“新冠肺炎疫情期間的封鎖隔離措施對空氣質量的影響”也同時是空氣污染相關的前沿。全球性污染物相關前沿包括“燃煤及工業煙氣中汞污染的消除”、“微塑料在土壤中的暴露及對士壤生態系統的影響”和“全氟和多氟烷基化合物的分布、暴露、毒理和污染控制技術”。這三個前沿所涉及污染物均是在全球范圍內帶來重大、長期生態環境風險，受到全球關注的典型污染物，多年入選環境領域的熱點前沿。如汞污染相關研究分別在2016、2017、2020年入選熱點前沿；微塑料污染相關研究分別在2015、2016、2017、2020年入選熱點前沿；全氟化合物相關研究在2020年和2021年連續被列入熱點前沿。生態科學子領域的熱點前沿主要涉及生物多樣性和物種分類兩個方面，具體包括“昆蟲衰退現狀、滅絕危機與驅動因素”和“物種界定方法的改進”。
昆蟲是生態系統的重要組成部分，對整個生物圈包括人類的生存影響深遠。昆蟲在生態系統中扮演著分解者、植食者、傳粉者、捕食者或寄生者的角色，而其本身又是其它動植物的獵物。昆蟲生物多樣性和數量的減少，不僅會影響包括植物授粉在內的生態系統服務功能，還會影響食物鏈中以它為食的動植物等的生存，造成食物網和生態系統的崩潰，引起巨大的生態環境級聯效應，進而造成社會和經濟損失。
近年來，隨著人類活動導致的生境破碎化、棲息地喪失、化肥農藥的大量使用和有毒化學品在環境中的廣泛擴散、氣候變化等，全球昆蟲生物多樣性已經呈現急劇下降的趨勢。但是，由于昆蟲哀退的過程是很宏觀的，身處其中的人類很難獲得足夠直觀、深刻的體會，且除美歐等部分發達國家外，昆蟲生物多樣性的監測非常不充分，其衰退和多樣性喪失狀況被嚴重低估。
該熱點前沿的核心論文有20篇，研究內容主要是飛蟲、節肢動物等陸生和水生昆蟲的種類和豐度在全球范圍以及美歐等地區的監測與下降狀況，昆蟲衰退的主要驅動因素，及昆蟲多樣性的下降與生態系統功能的相互作用。該前沿的論文給出了全球多地出現昆蟲多樣性衰退的令人震驚的科學證據。2017年，荷蘭奈梅亨大學等機構的研究人員在《 Plos One》上發表的論文顯示，19892016年，德國各地飛蟲生物量普遍減少了76%該文基于數據揭示的昆蟲多樣性和生物量衰退的現象引起很大動，論文被引頻次最高，達到6次(圖5).澳大利亞悉尼大學的研究人員2019年在《 Biological Conservation》上刊發了一篇關于全球范圍內昆蟲減少現狀及其驅動因素的綜述，強調了全球近一半的昆蟲物種正在迅速減少，三分之一正瀕危滅絕，指出棲息地喪失、農業集約化污染、病原體和生物入侵等生物因素，及氣候變化是最主要的驅動因素。該論文被引用446次，是被引頻次第二高的論文。
2020年，歐盟發布了面向2030年的生物多樣性戰路，七國集團科學院發布關于全球昆蟲衰退及對關鍵生態系統服務的潛在危害的聯合聲明，聯合國第五版《全球生物多樣性展》指出當前生物多樣性的喪失速度之快在人類歷史中前所未見。今年，《生物多樣性公約》第十五次綿約方大會在中國召開。該熱點前沿掲示的研究與這些國際行動共同為人類拉響了警報，呼吁人類亟需采取變革行動，保護地球的生物多樣性。
統計分析核心論文產出的國家和機構(表8),核心論文來源國有23個，發表る篇及以上核心論文的國家有9個。美國核心論文數有10篇，占核心論文總數的一半；德國與英國分別以8篇核心論文排并列第二位；荷蘭與澳大利亞分別以6篇并列第四位。發表核心論文最多的前兩位機構分別是荷蘭的奈梅享大學和奧地利的薩爾茨堡大學。
從施引論文的來源國家和機構來看(表9),美國、德國和英國是施引論文的前三位來源國。施引論文的Tp來源機構主要來自德國和法國等，施引論文前十位機構中，德國有5家，法國有3家。施引論文最多的3家機構分別是法國國家科學研究中心、德國亥姆霍聯合會和法國國家農業食品與環境研究院。
綜合核心論文和施引論文的表現，美國、德國、英國、荷蘭、法國等美歐發達國家表現突出，這些國家均是昆蟲多樣性研究與監測工作開展較早較系統的國家。機構中主要以德國、法國、荷蘭和奧地利機構表現突出。荷蘭奈梅享大學和瓦格寧根大學，德國生物多樣性綜合研究中心和亥姆霍茲聯合會，法國國家科學研究中心和國家農業食品與環境研究院，奧地利薩爾茨堡大學等貢獻了較大比例的核心論文或施引論文，在該前沿中具有重要地位。
1.3重點熱點前沿一“全氟和多氟烷基化合物的分布、暴露、毒理和污染控制技術”
全氟及多氟烷基化合物(Perfluorinated alkyl substances,PFAS,下文簡稱全氟化合物是一大類新型持久性有機污染物(POPs),被廣泛應用于工業生產和生活消費領域，如紡織品的表面防污處理劑、不粘鍋炊具、方便食品包裝等。全氟化合物具有持久性和遠距離遷移性，可在生物體內蓄積與放大，可產生臟器毒性、神經毒性、免疫和內分泌毒性、生殖毒性和致癌性，已在全球各類環境介質及生物體內檢出，其對人類和環境的危害已經引起了廣泛關注和國際控制行動。全氟辛酸及其鹽類和相關化合物(PFOA)及全氟辛基磺酸及其鹽類和全氟辛基磺酰氟(PFOS)是代表性的全氟化合物，已被列入《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》的新增POPs名單。
該熱點前沿的核心論文有36篇，主要集中在4個方向：(1)全球全氟化合物的污染狀況及來源解析，重點是地表水、地下水和飲用水等水環境中的污染；(2)全氟化合物的毒理學和健康風險研究，包括人體暴露途徑、肝毒性、對胎
及兒童生長發育的影響等；(3)全氟化合物的控制技術，包括水體中的吸附技術、氧化還原技術等；(4)長鏈全氟化合物的潛在替代品，包括新的短鏈和超短鏈全氟及多氟化合物的環境和毒理特征。
全氟化合物首次引起關注是其在美國引發的飲用水污染危哈佛大學陳曾煕公共衛生學院等機構的研究人員2016年發表在《Environmental Science TechnologyLetters》上的論文對全美飲用水中全氟化合物的濃度進行了分析，發現600萬美國居民的飲用水中全氟化合物的濃度超過了美國環保局制定的終身健康建議量。該論文被引用267次，是該前沿被引頻次最高的一篇核心論文(圖6)。該前沿影響力較高的另一篇論文指出在3000多種全氟化合物中，只有少數長鏈化合物得到了較充分的研究并成為國際管控清單的對象或潛在候選物質，絕大多數其他的全氟化合物也需要得到關注。該文來自瑞典斯德哥爾摩大學等機構，發表在《 Environmental Science&Technology》上，被引頻次為256次。
隨著全氟化合物研究持續成為研究熱點，更多的科學證據不斷呈現，越來越多的該類化合物得到了深入研究，不斷引起國際關注并推動對其強化管制的國際行動。如近期，全氟己基磺酸( PFHXS)及其鹽類已在美歐多國引起討論，已經被納入《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》的候選POPs名單。
統計分析核心論文產出的國家和機構(表10)表明，美國是貢獻最大的核心論文產出國，核心論文占論文總數的47.2%,約占半數。瑞典貢獻的核心論文占22.2%,排第二位，中國核心論文占16.7%,排第三。其他國家都低于10%。核心論文的產出機構主要來自美國和瑞典。其中，核心論文最多的兩家機構為美國科羅拉多礦業大學和美國環保局，各有4篇。貢獻核心論文達到2篇及以上的17家機構中，美國有10家，瑞典有3家。中國科學院也貢獻了2篇核心論文。
從施引論文的來源國家和機構來看(表11),美國仍是貢獻最大的國家，施引論文占總論文數的38.8%;中國貢獻排第二位，占總施引論文數的28.1%;其他國家均低于0%。施引論文的前十位來源機構分別來自中國、美國和瑞典。其中，中國科學院以115篇施引論文排第一位，南開大學排第七位；美國有6家機構，美國衛生部貢獻的施引論文有61篇，排第二位，哈佛大學排并列第三位；瑞典有兩家機構，分別排并列第三和第八位。從核心論文和施引論文的貢獻來看，美國、中國和瑞典在該前沿中表現最好。美國在該前沿中居于引領地位，貢獻了最多的核心論文和施引論文，表現突出的研究機構也以美國最多。瑞典在核心論文和施引論文中也有較好的表現。中國是該前沿的重要參與者，有較高的核心論文和施引論文數量，中國科學院近年在該領域的追趕表現突出。
2.新興前沿及重點新興前沿解讀
2.1新興前沿概述
生態與環境科學領域有2個方向入選新興前沿，即“氣候環境因素對新冠肺炎疫情的影響”和“大氣二氧化氮水平與新冠肺炎死亡率升高相關”。
2.2重點新興前沿解讀一“大氣二氧化氮水平與新冠肺炎死亡率升高相關”
空氣污染對人類健康具有重大影響。二氧化氮是由柴油車和其他化石燃料燃燒產生的一種空氣污染物，可對人類的呼吸系統產生損害，導致高血壓、糖尿病、心血管病等。隨著新冠肺炎疫情的持續，科學家對新型冠狀病毒的了解越來越深入。空氣污染，如氮氧化物污染是否對新冠肺炎的流行及死亡率有所影響，引起了科學家的興趣。
該新興前沿的主要內容是探討長期接觸二氧化氮與新冠肺炎致死率之間的關系。德國馬丁路德大學的研究人員在《 Science of the Total Environment》上發表的論文對新冠肺炎疫情震中的空氣污染數據進行了研究，結果發現，二氧化氮污染濃度與新冠病死率具有顯著的相關性。在意大利、西班牙、法國和德國的共4443例死亡病例中，3487例(78%)都發生在五個氮氧化物濃度最高的地區。同樣，來自丹麥奧胡斯大學等機構的研究小組發表在《 Environmental Pollution》
上的研究也指出，意大利的空氣污染與新冠肺災死亡率之間存在顯著的相關性。未來應進一步研究空氣污染因素與新冠肺炎死亡率升高的確切因果關系。
