《Journal of Agriculture and Food Research》：How to make the action of biostimulants more effective and reproducible for field crops?
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如何使生物刺激素（Biostimulants）在大田作物中的作用更有效且可重复？生物刺激素的功效在田间条件下比受控条件下变异更大。标准化提取可提高可重复性和性能。基因组工具可识别关键化合物和作物响应。精准施用可优化施用时机和递送效率。将生物刺激素整合到农业系统
如何使生物刺激素（Biostimulants）在大田作物中的作用更有效且可重复？生物刺激素的功效在田间条件下比受控条件下变异更大。标准化提取可提高可重复性和性能。基因组工具可识别关键化合物和作物响应。精准施用可优化施用时机和递送效率。将生物刺激素整合到农业系统中可确保可持续利用。
1. 引言（Introduction）
气候变化导致极端天气频繁，威胁全球粮食安全。农民日益认识到生物刺激素在提高非生物胁迫耐受性方面的作用，加上法规减少化学肥料使用，推动了生物刺激素市场增长。生物刺激素定义为通过促进植物生长、养分利用效率、品质和非生物胁迫耐受性等预期效果来发挥作用的产品。虽然在园艺作物上已有积极效果，但在大田谷类作物上效果较弱且不一致。本综述旨在分析挑战并提出改进策略。
2. 文献研究方法（Literature Research）
本综述重点检索了2020-2026年Web of Science核心合集，使用“生物刺激素谷物”等检索词，共获得59篇文献，并通过谷歌学术补充相关文献。排除了不涉及具体作物和间作系统以及关于生物胁迫的研究。
3. 生物刺激素的定义与类型（Definition and types of biostimulants）
生物刺激素属于生物制品（biologicals）的一个亚类。生物制品分为生物植物保护产品和生物刺激素。微生物生物刺激素包含有益细菌、真菌或酵母，但受严格监管；非微生物生物刺激素来自植物和海藻提取物、酸性化合物或其他有机/无机化合物。微生物类中，丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF）和植物促生根际细菌（Plant Growth-Promoting Rhizobacteria, PGPR）研究最多，它们通过促进养分吸收、调节植物激素等机制发挥作用。植物和藻类提取物中，泡叶藻（Ascophyllum nodosum）研究广泛，可调节渗透势、抗氧化酶活性等。蛋白质水解物通过增加植物激素积累促进生长。腐殖酸类作为土壤处理可增加根系生长和养分吸收。
4. 大田谷类作物使用生物刺激素面临的当前挑战（Current challenges in the use of biostimulants in field-grown cereal crops）
多数研究在人工受控条件下进行，且多为单环境，无法评估可重复性。大多数研究在非胁迫条件下进行，实际意义有限。少量多环境研究的结果不一致。这种“转化鸿沟”导致生物刺激素在谷物生产中应用受限。
4.1 造成不一致性的强影响因素（Causes with strong impacts of inconsistency）
产品组成变异和制造过程差异是主要因素。例如，三种商业海藻提取物的化学成分（氮、微量元素、灰分等）差异显著，导致不同的生理响应。生产链中原料波动、培养条件、提取方法等都会影响最终产品。环境条件如气候、地理位置、土壤类型也强烈影响效果。
4.2 对不一致性有中度影响的因素（Factors with moderate effects on inconsistency）
应用方法（种子、叶面、土壤）、时间（预防性 vs 治疗性）、剂量以及基因型都影响效果。种子引发成本低但无法应对实际胁迫；叶面喷施和土壤施用灵活但用量大、有漂移风险。基因型特异性响应显著，如耐旱基因型可能收益较小。
4.3 可能存在但缺乏证据的因素（Factors with possible impact but lacking evidence）
生物刺激素可能改变土壤微生物组，而原生微生物组也可能影响其效果。外源AMF对本地菌根群落的影响存在正负不一。微生物生物刺激素在土壤中的持久性缺乏长期数据。宿主植物通过根系分泌物塑造根际微生物组，但研究未充分纳入。土壤传播病原菌可能抵消生物刺激素的效果。
5. 未来研究中可立即实施的解决方案（Solutions for immediate implementation in future studies）
5.1 识别活性化合物、标准化栽培与提取方案（Identifying active compounds, standardized cultivation and extraction protocols）
应通过液相色谱-质谱联用（Liquid Chromatography-Mass Spectrometry, LC-MS）、气相色谱-质谱（Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS）等分析手段识别有效代谢物。标准化提取和原料培养是提高可重复性的关键。藻类和植物细胞培养尚需改进，克隆繁殖可能降低组成变异。
5.2 多环境试验、特定胁迫验证和基因型评估（Multi-environment trials, stress specific validation and genotype specific evaluation）
需要通过多环境试验系统评估生物刺激素效果，分析目标作物在特定胁迫下的分子和生理响应。筛选大量基因型有助于识别响应差异，相关数量性状位点（Quantitative Trait Loci, QTL）可辅助育种。
5.3 改进的近未来应用策略（Improved near-future application strategies）
采用垂枝喷杆（droplegs）可减少漂移并提高叶片下侧覆盖。优化施用频率和剂量，例如海藻提取物适度施用4-6次可促进生长。粉剂配方可能更稳定。组合多种有益微生物可增强协同效应。
5.4 通过循环经济获得更佳成本效益比（Potentially better Cost-Benefit ratio through a circular economy）
利用农业、食品和工业副产品（如昆虫壳、羽毛等）生产废弃物源生物刺激素，可降低成本。但需注意污染物风险，并筛选无农药残留、供应稳定的原料。
6. 长期展望（Long-term perspectives）
6.1 通过新型生物技术设计生物刺激素（Designer biostimulants through novel biotechnological approaches）
下一代测序（Next-Generation Sequencing, NGS）可鉴定生物刺激素产生菌的合成基因簇。CRISPR/Cas9基因编辑有望开发“设计型生物刺激素”或增强作物自身防御能力，但目前存在生态风险和欧洲法规限制。
6.2 精准表型与施用（Precision phenotyping and application for enhanced biostimulant efficacy）
配备多光谱/高光谱相机的无人机（Unmanned Aerial Vehicles, UAV）可提供作物健康、营养和胁迫信息，支持精准应用。无人机喷洒可减少漂移，但需高投资、技术要求和法规许可。
6.3 使生物刺激素适应本地土壤和作物特异根际微生物组（Adapting biostimulants to native soil and crop specific rhizosphere microbiome）
在田间试验前中后表征土壤特性及微生物组组成，可提高效果一致性。管理措施应增强本地AMF多样性。采用多组学技术（宏基因组、转录组、蛋白质组）和人工智能分析微生物组数据，有助于理解植物-微生物-生物刺激素互作，但目前存在数据质量和标准化挑战。
7. 结论（Conclusion）
本综述强调，提高生物刺激素在大田作物中的一致性和有效性需要：识别活性化合物和作用机制、建立标准化生产和提取方案、发展精准施用技术、系统研究基因型-环境-生物刺激素互作，并通过循环经济实现可持续性。同时需要简化和协调监管框架。生物刺激素并非普遍解决方案，而应针对特定问题使用。
