方博2, 高树琴1, 段世名3, 马慧敏4, 赵洪龙1, 蒋浩1, 杨艳敏5, 龙隆1, 贺祖光1, 张玉成1, 郑聪聪1*
1中国科学院计算技术研究所, 北京 100190; 2德国于利希研究中心植物科学研究所(IBG-2)德国于利希 52428; 3中国农业大学水利与土木工程学院, 北京100193; 4吉林农业大学农学院, 长春 130118; 5中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心, 石家庄 050021
Fang Bo2, Gao Shuqin1, Duan Shiming3, Ma Huimin4, Zhao Honglong1, Jiang Hao1, Yang Yanmin5, Long Long1, He Zuguang1, Zhang Yucheng1, Zheng Congcong1*
¹Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; ²Institute of Plant Sciences (IBG-2), Forschungszentrum Jülich, Jülich 52428, Germany; ³College of Water Conservancy and Civil Engineering, China Agricultural University (CAU), Beijing 100193, China; ⁴College of Agriculture, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China; ⁵Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021, China
摘要:
随着 AI4Science (利用人工智能驱动科学发现)作为科学研究的新范式兴起, 人工智能正深刻推动植物生命系统研究向数据驱动与智能化转型。根系作为植物获取水分和养分、感知环境胁迫并调节地上-地下相互作用的关键器官, 对作物产量和生态系统功能起着决定性作用。然而, 由于根系生长在土壤的不可见性, 表型复杂且难以直接观测, 对其结构与功能认识长期滞后于地上部分。人工智能的发展为破解这一“地下黑箱”提供了新工具和新路径。如何以人工智能为核心驱动力, 整合多源根系与环境数据、前沿算法及根系科学知识体系, 进而揭示根系结构与功能的关键关系, 已逐渐成为当前根系研究的前沿方向。该文系统综述了 AI4Root 即 AI 在根系研究中的主要应用与发展趋势, 涵盖数据获取、结构建模、机制推理及管理决策等环节。基于 AI 的图像分析可实现根系结构的自动识别与量化; 建模与数据融合揭示根系-土壤多尺度、多过程的相互作用。AI 在根系表型测定、构型模拟、分泌物及微生物互作解析等方面显示出巨大潜力, 为深入理解根系功能提供前所未有的手段。然而, AI 应用于根系研究仍面临田间高质量数据获取困难、不同实验尺度数据融合不足及根系-土壤-环境交互复杂性建模不足等挑战。未来, 依托多源数据深度整合、跨学科算法优化及数字农业平台协同应用, AI 有望推动根系科学进入智能化研究新阶段, 为作物改良与智慧农业发展提供创新路径。