以根际为核心:构建再生与抗脆弱农业体系的生物学与技术途径

·根系与微生物形成动态联盟，推动养分循环，促进土壤健康。

·根际对于具有反脆弱性、适应气候变化和能促进再生的农业至关重要。

·根系分泌物影响微生物的招募，增强植物对胁迫的适应能力。

·人工智能、成像技术和传感器能实时洞察根际功能。

·从底层重新设计农业可将育种、管理和微生物群落联系起来。

摘要：几十年来，农业生产优化主要集中在地上部分的产量和外部投入上，却忽视了地下过程的复杂性和功能完整性。根际，即根系周围的动态区域，长期以来一直是通过分离的组件进行研究，但很少在整体框架下进行研究，尽管它在农业生态系统生产力、土壤肥力和可持续性方面起着关键作用。此外，将这一知识转化为常规农场规模的实践仍然十分有限。本文观点主张将根际重新定位为农业创新的核心。从这个角度来看，根系及其微生物伙伴不仅对作物生长表现至关重要，也是增强农业系统抗逆性的驱动力，使农业系统能够在环境压力下承受甚至改善，同时维持生产力。结合根系生物学、土壤化学、微生物生态学和农学的进展，本综述表明根际过程驱动着关键的生物地球化学功能，如碳固存、养分循环和适应胁迫。关键的差距包括在作物育种中对根系 - 微生物组特性的整合有限、缺乏适用于田间的根际诊断方法，以及微生物接种剂在不同土壤和气候条件下的性能不稳定。应对这些挑战对于在田间规模实施根际科学以及支持低投入、气候适应性强的农业系统至关重要。展望未来，从高分辨率成像和光谱学到人工智能的新兴技术为深入了解地下复杂性提供了前所未有的视角，也为弥合实验见解与实际农业之间的差距提供了独特的机会。最后，本综述呼吁进行范式转变，将根际过程融入作物育种、农业系统设计和管理策略中。认识到根际是创新的主要切入点，对于将科学转化为促进再生、抗逆和可持续农业的实用手段至关重要。

Keywords: Plant-soil interactions; Phenotypic plasticity; Agroecosystem resilience; Exudate signaling; Smart farming technologies; Sustainable crop management

图形摘要：

1.引言

农业正处在气候变迁和土壤退化的关键十字路口，亟需向更具可持续性、再生性和韧性的系统转型。根际在此扮演着隐藏的引擎角色。根分泌物不仅是被动代谢产物，更是植物与土壤环境进行化学与生物对话的核心媒介，它能激发有益微生物（如固氮菌、解磷菌、丛枝菌根真菌）的活性，从而增强养分有效性、促进土壤健康、驱动养分循环并维持生态系统稳定。本文旨在填补根际科学与农场规模实践之间的转化空白，聚焦于从机制阐释到田间实施的互补性路径。

Fig.1.Rhizosphere-mediated adaptation in regenerative systems.

2.根际：抗脆弱农业转型的隐藏引擎

本节综述了当前关于根际功能（根分泌、养分活化、植物-微生物互作）的科学认知，并将其整合为一个连贯框架，以阐释地下过程如何支持系统的鲁棒性与适应性。根分泌物是关键的调控手段，它能定向招募特定功能微生物，从而调控氮、磷、铁、硫等关键养分的生物地球化学循环。植物也通过基因编程和表型可塑性主动塑造根际。然而，关键知识空白依然存在，例如：根系与微生物组如何响应多重胁迫？如何实时监测与模拟根际过程？如何设计无负面权衡的抗脆弱系统？

3.从科学到实践的杠杆：生物学与技术途径

为实现根际知识的田间转化，本节系统阐述了两类关键杠杆：

3.1 生物杠杆：根系、微生物与胁迫适应

通过育种与栽培管理优化根系性状（如深根系、高根毛密度），以增强养分获取和胁迫耐受。同时，利用有益微生物（如植物根际促生菌PGPR、菌根真菌）形成共生互作，在养分胁迫下激活植物的生理响应（如增加分泌物），从而协同提升养分利用效率。

3.2 技术杠杆：感知、建模与工程

成像与传感技术：如X射线计算机断层扫描、激光扫描、生物传感器，用于非破坏性、高通量地可视化根构架和监测根际实时化学变化。

人工智能与建模：利用AI驱动模型和数字孪生技术，整合多源数据，预测根际过程并构建决策支持系统，实现点位精准农业。

基因与微生物工程：通过基因编辑优化植物根际相关性状，或设计合成微生物群落以增强特定功能。

综合分析技术：如同位素示踪、原位质谱，用于量化根际碳流和微生物代谢过程。

3.3 综合路径

上述技术杠杆共同拓展了我们对根际过程的测量、建模与调控能力。然而，其转化潜力仍受限于成本、可扩展性、互操作性及监管接受度等挑战。

Fig.2.Disentangling the heterogeneity and complexity of rhizosphere with 2D and 3D imaging analytical tools.

4. 从实验室到田间：利用转化杠杆弥合鸿沟

将根际管理转化为常规农事操作，需要超越单纯的技术创新。

4.1 参与式与技术赋能

必须通过参与式创新（如联合田间试验、决策工具、田间实验室、农业创新中心）确保根际策略兼具科学性与实际可操作性、可扩展性及场地特异性。

Fig.3.UML-based conceptual framework of the rhizosphere as a biological lever for antifragile agriculture.

Fig.4.UML-based operational scheme for implementing a rhizosphere-centric paradigm supported by digital technologies for an AI-driven antifragile agriculture.