DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1710899
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41358336
تاريخ النشر: 2025-11-21
المؤلف: Manamele D. Mashabela وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات تعزيز نمو النباتات
نظرة عامة
تناقش الورقة البحثية تطور المحفزات الحيوية من التطبيقات التجريبية إلى الحلول الهندسية، مع تسليط الضوء على الفجوات الحرجة التي تعيق هذا الانتقال. تشمل هذه الفجوات نقص الأطر الزمنية والتكنولوجية التي تربط تطوير المحفزات الحيوية بالتقدم الزراعي، وفهم غير كافٍ للآليات الجزيئية وراء عملها، وطرق تنظيم غير واضحة لدمجها في نظم الزراعة الرقمية، مثل الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء. يقترح المؤلفون إطارًا جيليًا (المحفزات الحيوية 1.0-4.0) لتوضيح هذا التقدم ويؤكدون على الحاجة إلى التحقق الجزيئي المنسق، وتنسيق اللوائح، وتطوير المنصات الرقمية لتسهيل اعتماد المحفزات الحيوية في الزراعة الذكية مناخيًا.
تحدد المراجعة عدة آليات تعزز فعالية المحفزات الحيوية، بما في ذلك تعديل الهرمونات، وكفاءة المغذيات، وتحفيز استجابة الإجهاد، وهندسة الميكروبيوم. توضح اتجاهات البحث المستقبلية التي تركز على التكامل على مستوى الأنظمة، والبروتوكولات الموحدة، وتطوير حلول مدعومة بالذكاء الاصطناعي ومتصلة بإنترنت الأشياء. يشدد المؤلفون على أهمية الأطر التنظيمية والوصول العادل إلى التكنولوجيا لدعم اعتماد المحفزات الحيوية، التي يمكن أن تسهم بشكل كبير في ممارسات الزراعة المستدامة المتوافقة مع أهداف التنمية المستدامة (SDGs). في النهاية، تدعو الورقة إلى نهج تعاوني بين العلماء والصناعة وصانعي السياسات لتحقيق إمكانات المحفزات الحيوية كعناصر أساسية في نظم الزراعة المبتكرة، خاصة في سياق التحديات المناخية المتزايدة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة للزراعة المستدامة لتلبية الطلبات الغذائية لسكان عالمي متوقع أن يصل عددهم إلى حوالي 10 مليارات بحلول عام 2050، مما يتطلب زيادة بنسبة 70% في إنتاج الغذاء مع تقليل انبعاثات غازات الدفيئة الزراعية بنسبة 30-40% في الوقت نفسه (IPCC، 2023). تتفاقم هذه التحديات بسبب تغير المناخ، وتقلص الأراضي القابلة للزراعة، ومجموعة متنوعة من الضغوط التي تعيق الإنتاجية، مما يعقد تحقيق أهداف التنمية المستدامة (SDGs) مثل القضاء على الجوع (SDG 2) والعمل المناخي (SDG 13). أثبتت الممارسات الزراعية التقليدية، بما في ذلك استخدام المواد الكيميائية الزراعية الاصطناعية، أنها غير كافية وضارة لكل من البيئة وصحة الإنسان، مما دفع نحو التحول إلى استراتيجيات مستدامة بيئيًا.
من بين هذه الاستراتيجيات، ظهرت المحفزات الحيوية – المواد أو الكائنات الدقيقة التي تعزز نمو النباتات ومرونتها – كبدائل واعدة. تعمل هذه العوامل على تحسين امتصاص المغذيات وتحمل الإجهاد دون الإضرار بالنظم البيئية. تؤكد المراجعة على أهمية فهم الخصائص الكيميائية الحيوية واستراتيجيات التطبيق للمحفزات الحيوية لدعم دمجها في الممارسات المستدامة وإبلاغ الأطر التنظيمية. تشير الأدلة من دراسات مختلفة إلى أن المحفزات الحيوية يمكن أن تعزز بشكل كبير من غلة وجودة المحاصيل عبر أنواع متعددة. تهدف المراجعة إلى إنشاء إطار تصنيف جيلي للمحفزات الحيوية، وتلخيص آلياتها الجزيئية، واستكشاف تكاملها مع التقنيات المتقدمة مثل الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء، مما يوفر في النهاية خارطة طريق لتقدم أبحاث المحفزات الحيوية واعتمادها بما يتماشى مع الأهداف العالمية للاستدامة.
نقاش
يتتبع النقاش حول المحفزات الحيوية تطورها المفهومي من أصولها في أوائل القرن العشرين في الاتحاد السوفيتي، حيث قدم البروفيسور فلاديمير بتروفيتش فيلاتوف “المحفزات البيوجينية”، إلى التقدمات المعاصرة في هذا المجال. كانت نظرية فيلاتوف الأساسية تفترض أن المواد البيولوجية يمكن أن تتراكم على مواد أيضية تعزز العمليات الأيضية في النباتات، وهو مفهوم تم تحسينه لاحقًا من قبل باحثين مثل بلاغوفيشينسكي، الذين عرفوا المحفزات البيوجينية بأنها أحماض عضوية تعزز النشاط الإنزيمي. أكدت المساهمات اللاحقة، مثل تلك التي قدمها هيرفي وزانغ وشميت، على الحاجة إلى فهم آلي للمحفزات الحيوية، وربط أفعالها بكفاءة التمثيل الضوئي المحسنة وامتصاص المغذيات. تطور تصنيف المحفزات الحيوية، حيث اقترح كوفمان وآخرون نظامًا يعتمد على التركيب والمصدر، بينما قدم إطار دو جاردين تعريفًا أكثر تنظيمًا يتضمن فئات ميكروبية وغير ميكروبية.
على الرغم من التقدم، تواجه المجال تحديات بسبب نقص التعريفات والمعايير الموحدة، مما يعقد العمليات التنظيمية والوصول إلى السوق. يبرز تصنيف الاتحاد الأوروبي للمحفزات الحيوية كـ “منتجات سماد” الحاجة إلى وضوح في أدوارها الوظيفية. تدعو الاقتراحات الحديثة، مثل تلك التي قدمها ياخين وآخرون، إلى تعريفات تعطي الأولوية للخصائص الناشئة على هوية المكونات، مما يعكس تعقيد المحفزات الحيوية. يوضح ظهور إطار تصنيف جيلي، يميز بين المحفزات الحيوية 1.0 (المستخلصات التقليدية) والمحفزات الحيوية 3.0 (الصيغ الدقيقة التي تستفيد من التكنولوجيا الحيوية)، التحول نحو أساليب أكثر تطورًا تعتمد على البيانات في تطوير المحفزات الحيوية. يبرز هذا التطور أهمية دمج الابتكار العلمي مع الوضوح التنظيمي لتعزيز فعالية واعتماد المحفزات الحيوية في الزراعة المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1710899
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41358336
Publication Date: 2025-11-21
Author(s): Manamele D. Mashabela et al.
Primary Topic: Plant Growth Enhancement Techniques
Overview
The research paper discusses the evolution of biostimulants from empirical applications to engineered solutions, highlighting critical gaps that hinder this transition. These gaps include the lack of temporal-technological frameworks linking biostimulant development to agricultural advancements, insufficient understanding of the molecular mechanisms behind their action, and unclear regulatory pathways for their integration into digital agriculture ecosystems, such as AI and IoT. The authors propose a generational framework (Biostimulants 1.0-4.0) to illustrate this progression and emphasize the need for coordinated molecular validation, regulatory harmonization, and the development of digital platforms to facilitate the adoption of biostimulants in climate-smart agriculture.
The review identifies several mechanisms that enhance the efficacy of biostimulants, including hormonal modulation, nutrient efficiency, stress response induction, and microbiome engineering. It outlines future research directions that focus on systems-level integration, standardized protocols, and the development of AI-powered and IoT-coupled solutions. The authors stress the importance of regulatory frameworks and equitable access to technology to support the adoption of biostimulants, which can significantly contribute to sustainable agricultural practices aligned with the Sustainable Development Goals (SDGs). Ultimately, the paper advocates for a collaborative approach among scientists, industry, and policymakers to realize the potential of biostimulants as integral components of innovative agricultural systems, particularly in the context of increasing climate challenges.
Introduction
The introduction highlights the urgent need for sustainable agriculture to meet the food demands of a projected global population of nearly 10 billion by 2050, necessitating a 70% increase in food production while simultaneously reducing agricultural greenhouse gas emissions by 30-40% (IPCC, 2023). This challenge is exacerbated by climate change, diminishing arable land, and various stressors that hinder productivity, further complicating the achievement of Sustainable Development Goals (SDGs) such as Zero Hunger (SDG 2) and Climate Action (SDG 13). Traditional agricultural practices, including the use of synthetic agrochemicals, have proven insufficient and detrimental to both the environment and human health, prompting a shift towards environmentally sustainable strategies.
Among these strategies, biostimulants—substances or microorganisms that enhance plant growth and resilience—have emerged as promising alternatives. These agents improve nutrient uptake and stress tolerance without harming ecosystems. The review emphasizes the importance of understanding the biochemical properties and application strategies of biostimulants to support their integration into sustainable practices and inform regulatory frameworks. Evidence from various studies indicates that biostimulants can significantly enhance crop yield and quality across multiple species. The review aims to establish a generational classification framework for biostimulants, synthesize their molecular mechanisms, and explore their integration with advanced technologies such as AI and IoT, ultimately providing a roadmap for advancing biostimulant research and adoption in alignment with global sustainability goals.
Discussion
The discussion on biostimulants traces their conceptual evolution from early 20th-century origins in the USSR, where Professor Vladimir Petrovich Filatov introduced “biogenic stimulants,” to contemporary advancements in the field. Filatov’s foundational theory posited that biological materials could accumulate metabolites that enhance metabolic processes in plants, a notion further refined by researchers like Blagoveshchensky, who defined biogenic stimulants as organic acids that boost enzymatic activity. Subsequent contributions, such as those by Herve and Zhang and Schmidt, emphasized the need for a mechanistic understanding of biostimulants, linking their actions to improved photosynthetic efficiency and nutrient uptake. The classification of biostimulants has evolved, with Kauffman et al. proposing a system based on composition and source, while du Jardin’s framework provided a more structured definition that included microbial and non-microbial categories.
Despite advancements, the field faces challenges due to a lack of standardized definitions and classifications, which complicates regulatory processes and market access. The European Union’s designation of biostimulants as ‘fertilising products’ highlights the need for clarity in their functional roles. Recent proposals, such as that by Yakhin et al., advocate for definitions that prioritize emergent properties over constituent identity, reflecting the complexity of biostimulants. The emergence of a generational classification framework, distinguishing between Biostimulants 1.0 (traditional extracts) and Biostimulants 3.0 (precision formulations leveraging biotechnology), illustrates the shift towards more sophisticated, data-driven approaches in biostimulant development. This evolution underscores the importance of integrating scientific innovation with regulatory clarity to enhance the efficacy and adoption of biostimulants in sustainable agriculture.