Физиология растений – теоретическая основа растениеводства и новых отраслей биотехнологии. Физиологические основы продуктивности растений.

Главные проблемы современной фитофизиологии Основные направления современной физиологии растений. Базу отечественной физиологии растений и ее мировую славу в прошлом создали работы А. С. Фаминцына, К. А. Тимирязева, М. С. Цвета, Н. А. Максимова, Т. Н. Годнева, Д. А. Сабинина, Д. Н.

Прянишникова, Н. Г. Холодного, В. Н. Любименко, А. Л. Курсанова. Они заложили и основные направления этой науки. В современной физиологии растений различают шесть принципиально важных направлений (А. Л. Курсанов, 1973): биохимическое, биофизическое, онтогенетическое, эволюционное, экологическое, синтетическое (кибернетическое).

Биохимическое направление исследует функциональную роль различных органических веществ, образующихся в растениях, закономерности минерального питания, пути биосинтеза органических соединений, роль минеральных веществ как регуляторов состояния клеточных коллоидов, биокатализаторов процессов метаболизма, центров электрических явлений в клетке.

Биофизическое направление исследует биофизические основы физиологических функций и функциональных систем, вопросы энергетики, электрофизиологии, физикохимические закономерности фотосинтеза и дыхания, водного режима, корневого питания, роста и развития, раздражения растений.

Онтогенетическое направление исследует возрастные закономерности развития растений, морфогенез, приемы управления развитием растений (фотопериодизм, светокультура, закаливание растений и др.).

Эволюционное (сравнительное) направление исследует физиологические особенности филогенеза конкретных видов, особей растений, особенности онтогенеза растений при определенных внешних условиях, изучает онтогенез как функцию генотипа и внешних условий.

Экологическое направление исследует зависимость физиологических функций растений от экологических факторов среды, участвует в разработке эффективных приемов управления ростом и развитием растений в производственных условиях (оптимизация условий минерального питания, водного режима, приемы повышения белковости, сахаристости урожая, повышение устойчивости растений к неблагоприятным внешним условиям и др.).

Синтетическое (кибернетическое) направление исследует общие закономерности роста растений, энергетики и кинетики взаимосвязанных физиологических процессов в системе целого растения, разрабатывает способы регуляции и управления процессами в биологических системах.

В дополнение к названным целесообразно выделить прикладное (частная физиология) направление. Оно исследует физиологию конкретных видов и сортов сельскохозяйственных культур с целью совершенствования их агротехники, получения максимально возможных и устойчивых урожаев, разрабатывает физиологические паспорта и модели сортов основных сельскохозяйственных культур применительно к региональным почвенно-климатическим условиям страны, разрабатывает методы и приборы диагностики физиологического состояния и оценки устойчивости растений.

В биохимии растений также существуют различные направления: аналитическое, физиологическое, прикладное, генетическое, молекулярное и квантовое. Большое будущее принадлежит биохимической генетике.

Для фундаментальных исследований процессов жизнедеятельности растений все направления физиологии и биохимии растений важны и взаимосвязаны. Теоретическая физиология растений и ее влияние на практику будут развиваться по пяти основным направлениям, объективно вытекающим из мировых тенденций развития науки и практики (А. Т. Мокроносов, 1988).

Первое направление развития физиологии растений — организация, регуляция и интеграция функциональных систем в растительном организме на разном уровне организации (от молекулярно-биологического до ценотического). На молекулярнобиологическом уровне это организация и экспрессия генома, его регуляция, исследование мембранных структур и клеточных органелл, взаимодействие компартментов в клетках, исследование потоков веществ, энергии и информации в различных системах клетки. На надклеточном уровне — исследование плазмодесм и других канализированных путей передачи сигнала, информации, энергии в этих специализированных многоклеточных композициях. На уровне целого растения — изучение систем дальнего транспорта, донорно-акцепторных отношений, физиологии запасающих органов, аттрагирующих систем. И наконец, исследования на уровне ценозов в практических целях в связи с проблемами регуляции и оптимизации природных и агросистем.

Второе направление развития физиологии растений — молекулярно-генетические и физиологические основы онтогенеза растений. Проводятся исследования проблем организации, координации и кооперации всех геномов клетки — ядерного, пластидного, митохондриального и даже вирусного, взаимодействие которых обеспечивает рост, специализацию, морфогенез, развитие, сексуализацию растительного организма в онтогенезе. Это направление связано с ролью фитогормонов и других природных регуляторов гормонально-ингибиторной природы в реализации генетической программы онтогенеза растений, включает разработку приемов вмешательства в процессы жизнедеятельности растений в практических целях.

Третье направление развития физиологии растений — фотосинтез и продукционный процесс. Исследуются принципы структурной организации фотосинтетического аппарата как системы первичной трансформации и запасания световой энергии; физиолого-генетические и энергетические составляющие фотосинтетической продуктивности в онтогенезе растения, ядерно-пластидные генетические отношения, фотосинтетический метаболизм углерода и азота, организация донорно-акцепторных систем фотосинтеза на клеточном, субклеточном и организменном уровнях; оптимизация фотосинтетической деятельности агрофитоценозов; разработка принципов управления фотосинтетической продуктивностью и продукционным процессом в биотехнологических, промышленных и биорегенерационных системах, промышленная фитотроника, создание высокоэффективных систем культуры растений в закрытом грунте, где растение соединено с управляющей ЭВМ, создание систем жизнеобеспечения для наземных и космических целей.

Четвертое направление развития физиологии растений — это физиологобиохимические и молекулярные основы устойчивости растений к неблагоприятным условиям температуры, водного режима, избытка солей, гипо- и аноксии, радиации, устойчивости к биологическим патогенам и другим факторам. Проблема адаптации растений к стрессовым условиям, иммунитета к биологическим патогенам — ключевая для земледелия. Изучаются защитные системы на клеточном структурнометаболическом уровне, включающие индукцию синтеза протекторных соединений, сопряженность всех последовательных процессов, начиная с восприятия сигнала клеточными рецепторами, индукции экспрессии генома, синтеза адаптивных белков, изменения липид-ного и белкового комплекса мембран, далее следуют морфоструктурные изменения растений.

Пятое направление развития физиологии растений — фотосинтез и продуктивность как фактор сбалансированности биосферных процессов на земле исследует биосферные процессы, начиная от состояния озонового экрана, включая процесс снижения гумуса в почвах.

Помимо названных фундаментальных проблем развития физиологии растений эта наука решает значительный комплекс практических задач в условиях природных экосистем (количественное исследование энерго-, массообмена, экология растений, защита генофонда), в условиях полевого земледелия (неблагоприятное воздействие на экологическую среду, резкое ухудшение качества растительной продукции — загрязнение нитратами и нитритами, повышенный мутагенный фон, загрязнение среды пестицидами и другие проблемы адаптивного земледелия), в условиях фитотрона (проблемы промышленной фитотроники, реализация биологического потенциала растения, методы оптимального поиска и оптимизации среды с помощью специальных датчиков растений и ЭВМ).

Особенно важны для нашей страны разработка научных основ адаптивного земледелия, гарантирующего получение устойчивых урожаев независимо от погодных условий, основ экологического земледелия, создание энерго- и ресурсосберегающих технологий в растениеводстве, обеспечение высокого качества растениеводческой продукции. В решении этих вопросов большая роль принадлежит физиологии и биохимии растений. Влияние физиологии растений на селекционный процесс должно быть более эффективным. Необходимо помнить слова академика Н. И. Вавилова о том, что «генетика и селекция ждут от физиолога разработки частной физиологии отдельных культур, сортовой физиологии, физиологической систематики сортов.

Создание такой «физиологической систематики» оплодотворит всю работу селекции и упростит ее». Ставится задача вывести, интенсивные, отзывчивые на высокий фон, имеющие комплексную устойчивость сорта и гибриды сельскохозяйственных культур, создать оптимальные физиологические модели сортов для различных зон страны.

Реализация указанной программы исследований имеет большое значение для ускорения научно-технического прогресса в земледелии. Раскрывая зависимость биологических процессов, происходящих в растениях, от условий внешней среды, физиология растений создает теоретическую основу для системы приемов, направленных на повышение продуктивности растений, улучшение качества сельскохозяйственной продукции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Ильина Н.А.Физиология и биохимия растений: Учебное пособие / Н.А. Ильина, И.В.

Сергеева, А.И. Перетятко - Ульяновск-Саратов, 2013. - 335 с.ISBN 978-5-86045-613-6

2. Кошкин, Е. И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур: учебник / Е.

И. Кошкин. - М.: Дрофа, 2010. - 638 с.: ил. - (Учебники и учеб. пособия для студентов высш.

учеб. заведений). - ISBN 978-5-358-07798-0

3. Сергеева, И.В.Физиология растений с основами экологии: Учебное пособие / И.В.

Сергеева, А.И. Перетятко - Саратов, 2011. - 348 с.ISBN 978-5-7011-0740-1

4. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений / под ред. Н.Н. Третьякова. М.

: Колос, 2005. - 639 с.ISBN 5-10-002915-3

Дополнительная

1. Биохимия: учебник / В. Г. Щербаков, В. Г. Лобанов, Т. Н. Прудникова. - 3-е изд., испр. и доп. - СПб.: ГИОРД, 2009. - 472 с.: ил. - ISBN 5-98879-008-9

2. Козьмина, Н. П. Зерноведение с основами биохимии растений: научное издание / Н. П.

Козьмина, В. А. Гунькин, Г. М. Суслянок. - М.: Колос, 2006. - 464 с.: ил. - (Теоретические основы прогрессивных технологий: биотехнология). - ISBN 5-10-0039.