Физиология растений

Исследования по данной проблеме проводились в трех лабораториях физиологического профиля:

• – лаборатории физиологии растений;

• – лаборатории физиологии растений по гербицидам;

• – лаборатории физиологии древесных растений.

Лаборатория физиологии растений

Организована в 1957 г. как сектор физиологии культурных растений, на базе специалистов, работавших по проблемам физиологии растений, а затем в секторе почвоведения и растениеводства.

Наименования лаборатории: в 1962-1986 гг. – физиологии устойчивости и питания растений, в 1987-1989 гг. – физиологии и генетики растений, в 1989-1995 гг. – физиологии продукционного процесса растений, современное название с 1995 г. 

Руководители лаборатории: 1958-1961 гг. – д.б.н., проф., чл.-корр. АН Казахстана Леонид Георгиевич Добрунов, 1962-1977 гг. – д.с.-х.н., проф. Вакиль Калеевич Гирфанов, 1977-1996 гг. – д.б.н. Валентин Кузьмич Трапезников, с 1996 г. лабораторию возглавляет д.б.н., проф. Гюзель Радомесовна Кудоярова.

Тематика лаборатории формировалась в русле научного направления: изучение физиолого-биохимических основ устойчивости к неблагоприятным условиям среды и формирования урожая растений при различном режиме минерального питания (яровая пшеница, озимая рожь, озимые злаки, сахарная свекла, кукуруза).

В период с 1952 по 1956 гг. разрабатывалась тема “Агробиология озимой пшеницы и пути повышения ее урожайности”. (Руководитель к.с.-х.н. В.К.Гирфанов). Далее:

Основные научные результаты:

1952-1956 гг. Изучены биология и вопросы культуры озимой пшеницы при ее возделывании в условиях Башкортостана.

1957-1958 гг. Установлено, что в условиях лесостепи Башкирии позднеспелые сорта кукурузы дают максимальный урожай зеленой массы и початков молочно-восковой спелости при ранних сроках сева.

1959-1965 гг. Показано увеличение оттока ассимилятов из листьев в репродуктивные органы яровой пшеницы под влиянием органо-минерального удобрения с преимущественным действием фосфорно-калийного компонента при явлениях засухи.

Установлена роль физиолого-биохимических процессов в связи с возрастом растений, ростовыми процессами и режимом минерального питания и морозоустойчивостью.

Установлены особенности формирования урожая сахарной свеклы в условиях Башкирии, возрастные изменения фотосинтеза, водного режима и других процессов жизнедеятельности, роста корня.

Доказана возможность возделывания кукурузы в условиях широкорядного посева для получения зеленой массы и початков.

1961-1965 гг. Установлено, что представления о распространении засухи только в южных и юго-восточных районах республики ошибочны. Посевы зерновых культур в Башкирии подвержены засухе повсеместно. Это является главной причиной низких и неустойчивых урожаев. Поэтому в центре внимания физиологов были вопросы изучения водоснабжения и водопотребления, рационального режима корневого питания растений. Исследования показали, что в борьбе с сезонной почвенной засухой ведущая роль принадлежит запасам продуктивной влаги (в среднем 200 мм на нечерноземных, 150 мм – на черноземных почвах в метровом слое). Однако коэффициенты использования их низки и составляют соответственно 50 и 55%.

При изучении вопросов физиологии формирования урожая яровой пшеницы на фоне различной водообеспеченности выявлена доминирующая роль азотного питания в повышении продуктивности. Положительная роль азота в повышении продуктивности яровой пшеницы связана:

• – с повышением оводненности растительных тканей, а также более экономным расходованием воды на создание сухого вещества;

• – с улучшением обмена веществ и окислительно-восстановительных процессов, в частности, увеличением активности пероксидазы, каталазы и аскорбиновой кислоты, повышением синтеза олигосахаров, воднорастворимых, спирторастворимых и неэкстрагируемых белков и фосфороорганических соединений, в частности, нуклеиновых кислот.

Физиолого-биохимическими исследованиями установлено, что решающая роль в повышении урожая яровой пшеницы принадлежит азотным удобрениям. Применение их в лесостепной зоне позволило получать урожай зерна с качеством стандарта сильной пшеницы, а в степной зоне – кроме тго, увеличить содержание в зерне ценных белков (глиадина и глютелина) и независимых аминокислот: триптофана, валина, треонина, лизина и лейцина.

Установлено, что процесс закаливания озимых растений к низким температурам связан с повышением и поддержанием содержания фосфорных соединений. Сопоставление содержания фосфорилированных соединений в растениях озимой пшеницы с динамикой их морозостойкости подтвердило роль этих соединений в приспособлении к низким температурам. В условиях кущения озимых растений процесс закаливания при положительных температурах сопровождается снижением содержания водорастворимых белков–альбуминов, повышением содержания солерастворимых глобулинов и водоудерживающей способности клеток, а при отрицательных температурах – снижением водоудерживающей способности, увеличением содержания связанных с белками липоидов-липопротеидов, что в целом является приспособительной реакцией.

1966-1970 гг. Установлено, что растения яровой пшеницы, возделываемые на черноземах юга Башкортостана, потребляют больше азота, а на серых лесных почвах севера – фосфора и калия. Зерно одноименных сортов в условиях северной лесостепи содержит значительно меньше клейковинных белков и незаменимых аминокислот, чем в Предуральской степи. Внесение минеральных удобрений способствует повышению жизнеспособности, увеличению содержания как общего белка и его спирто- и щелочерастворимой фракций в зерне яровой пшеницы, ослаблению действия избыточного увлажнения и пониженной температуры.

Озимые растения оптимального срока посева на богатом фоне (черный пар) питания тратят гораздо меньше сахаров зимой, чем растения позднего срока посева; на бедном фоне (занятый пар) наибольшим содержанием сахаров в узлах кущения отличаются растения позднего срока посева. В районах степного Предуралья посевы озимых злаков на значительных площадях погибают от вымерзания, а в северных – от выпревания.

В зоне промышленного свеклосеяния на черноземах, установлено, что лимитирующим фактором повышения урожайности сахарной свеклы является недостаток азота, особенно в начале вегетации. Для усиления формирования и роста в первой половине вегетации и сахаронакопления во второй наиболее эффективно соотношение азотных, фосфорных и калийных удобрений N:P:K = 0,5:1:1. При этом создаются лучшие условия для синтеза и оттока углеводов, синтеза нуклеиновых кислот. Была разработана питательная смесь, дробное внесение которой при регулировании доз N, Ca, P, К, Na способствовало повышению урожая корнеплодов на 20%, а сахаристости до 19%. Установлено, что период интенсивного поступления питательных веществ в растения сахарной свеклы в условиях Башкортостана наступает позднее и менее продолжительно, чем в основных районах свеклосеяния страны.

С 70-х годов лаборатория изучает влияние характера распределения элементов минерального питания в корнеобитаемой среде (равномерное и гетерогенное) на ряд физиологических функций, определяющих продукционный процесс.

1971-1975 гг. При локальном (ленточном) внесении основного минерального удобрения под яровую пшеницу формируется урожай на 3-4 ц/га выше, чем при разбросном способе внесения, сбор белка с единицы площади возрастает на 20 и более процентов. Локализация 0,5 дозы удобрения, как правило, не уступает по своей эффективности полной дозе, внесенной вразброс. Преимущество локализации туков наиболее четко проявляется в условиях засухи.

Локальное размещение удобрения создает в небольшом объеме почвы очаг высокой концентрации элементов питания, превышающий обычное их содержание в 10 и более раз, что оказывает положительное действие на физиологические и морфогенетические процессы в растениях: формируется колос с большим числом семян, усиливается рост корневой системы и поглощение элементов питания, повышается коэффициент их использования, а также отток ассимилянтов в запасающие органы; возрастает водоудерживающая и нитратвосстанавливающая способность тканей.

Изучено влияние режима минерального питания на направленность процессов, связанных с синтезом и отложением запасных веществ сахарной свеклы. Установлено, что режим питания, особенно уровень азотного, оказывает регулирующее действие на содержание и соотношение фракций белка, состояние воды, гидролитическую активность тканей мезофила листьев, направленность реакций, катализируемых сахаросинтетазой, на рост и развитие вегетативных и запасающих органов и продуктивность сахарной свеклы.

Для степного Предуралья Башкортостана для получения гарантированного урожая сахарной свеклы (до 400-450 ц/га) обоснована необходимость проведения 3-4-х кратного искусственного дождевания плантации в течение вегетации с общим расходом воды 2500-3000 м³/га на фоне полного минерального удобрения, вносимого дробно, с учетом фаз развития.

Выявлена целесообразность дифференцированного изменения доли азота в составе полного минерального удобрения под озимые культуры в зависимости от наследственной морозоустойчивости сорта, возрастного состояния растений и степени увлажненности почвы. Морозоустойчивые сорта озимой ржи, отличающиеся интенсивным и ранним развитием приспособительных свойств осенью и относительно высоким уровнем содержания высокоэргических соединений фосфора в период перезимовки, могут быть обеспечены повышенной дозой азота на фоне фосфорно-калийного питания без существенного ущерба для их зимостойкости. Отрицательное влияние высокого уровня азотного питания на зимостойкость сортов озимой пшеницы заметно ослабевает при снижении степени увлажнения почвы (до 35% от полной влагоемкости) в период осенней вегетации.

Показано, что устойчивость районированных сортов озимой ржи и озимой пшеницы к выпреванию во многом определяется возрастным состоянием растений и уровнем азотного питания. Молодые растения, отличающиеся относительно интенсивным ростом, накоплением белковых соединений и макроэргического фосфора в период подготовки к химе на высоком фоне азотного питания, оказываются более зимостойкими, чем старовозрастные.

1976-1980 гг. Дано физиологическое и агрохимическое обоснование важнейшему компоненту системы поэтапных воздействий в онтогенезе растений – очаговому (локальному) размещению удобрений в почве. При ленточном внесении полного минерального удобрения (NPK) в небольшом объеме почвы образуется очаг с повышенным содержанием ионов с резко измененным соотношением в пользу фосфора.

Взаимодействие части корневой системы растений с очагом высокой концентрации ионов приводит к усилению интенсивности фотосинтеза, ускоренному протеканию морфогенетических процессов с начальных этапов онтогенеза (на примере яровой пшеницы).

Локальное внесение NPK (при оптимальном соотношении) улучшает фосфорно-калийное питание растений сахарной свеклы, ускоряет ее созревание, повышает сахаристость, что особенно важно при укороченном периоде вегетации.

Установлено, что на развитие морозостойкости в процессе закаливания озимых злаков существенное влияние оказывает уровень азотного питания с начальных этапов онтогенеза. Развитие высокой морозостойкости сопровождается увеличением числа электрофоретических компонентов легкорастворимых белков в узлах кущения, содержания сахаров и фосфорных соединений с макроэргическими связями. Дана физиолого-биохимическая характеристика короткостебельной озимой ржи сорта Чулпан.

1981-1990 гг. Установлено, что при локальном внесении удобрений четко проявляется гетерогенность почвы по соотношению доступных растениям элементов питания, реакции среды, содержанию аминокислот, ферментативной активности и численности микрофлоры, измененного соотношения минеральных форм азота в почве в пользу аммония, что является одной из причин меньшего накопления нитратов в растениях.

Диапазон действия минерального питания простирается от сильного ингибирования и гибели растений до повышения их продуктивности на 10-30 и более процентов в зависимости от дозы удобрения, параметров его размещения относительно семян, адаптивных возможностей растений и других факторов. Положительный эффект локализации наиболее значимо проявляется в условиях дефицита влаги, что выражается в относительной функциональной специализации прядей корней разного солевого статуса: в контакт с зоной экстремально высокого содержания ионов вступает лишь часть корневой системы - “высокосолевые” корни, обеспечивающие побег ионами, аминокислотами, а в отдельные этапы онтогенеза – фитогормонами; другая часть корней – “низкосолевые” – обеспечивает растения влагой.

Положительное действие локализации удобрений на продукционный процесс в значительной степени обусловлено активацией и синхронизацией ключевых физиологических функций во времени и пространстве (фотосинтеза, роста, минерального питания, транспорта веществ и их отложения в запас), оптимизацией донорно-акцепторных отношений в онтогенезе на основе формирования более гармоничной системы гормональной регуляции.

При изучении влияния условий минерального питания сахарной свеклы выявлены оптимальные соотношения элементов питания в основном удобрении в пользу большей доли азота и калия и меньшей – фосфора. Показано сходство процесса сахаронакопления в корнеплодах сахарной свеклы при локальном применении удобрения и дифференцированном питании с учетом фаз роста (усиленное питание азотом в первую, фосфором и калием -– во вторую половину вегетации). При этом отмечается повышенная активность инвертазы в листьях и сахарозосинтетазы в корнеплоде в период их интенсивного роста и пониженная – в конце вегетации.

При локальном применении удобрений достигается экономия удобрений до 50% по сравнению с внесением полной дозы удобрения вразброс.

Установлены причины гибели озимых культур в период осень-зима-весна, положительное действие препарата фундозола на устойчивость озимой ржи к выпреванию в период перезимовки.

1991-1997 гг. Проведена классификация физиологических, агрохимических и экологических эффектов, вызываемых дискретным распространением элементов минерального питания в среде на системы различного уровня сложности: от молекулярного до агроландшафтного. Показано, что оптимизация продукционного процесса при локальном внесении удобрений в значительной мере обусловливается более высоким, чем при разбросном способе, уровнем сопряженности и детерминированности углеводной, азотной и фитогормональной донорно-акцепторных систем. В условиях гетерогенности среды высокосолевая часть корневой системы растения, характеризующаяся более активной, чем низкосолевая, импортной (¹⁴С-ассимилянты) и экспортной (¹³N, цитокинины, АКБ, аминокислоты, амиды) функциями, выполняет важную интегративную роль и выступает в качестве пускового механизма формирования системы целого растения с более высоким уровнем упорядочности (во времени и пространстве) взаимодействия корня-побега-запасающих органов.

1998-2001 гг. Изучено влияние нескольких факторов (минерального питания, дефицита воды, температуры, экзогенных регуляторов роста) на рост, содержание гормонов и показатели водного обмена в отдельных органах растений пшеницы. Показана роль цитокининов в быстром ростовом ответе побегов на раздражение корней.

Эти приоритетные данные получены благодаря использованию разработанного в лаборатории совместно с БГУ, БГМУ, ИОХ УНЦ РАН метода иммунноанализа гормонов растений и их метаболитов.

Лаборатория физиологии растений по гербицидам

Лаборатория функционировала в период с 1961 г. по 1970 г. Этой лабораторией на общественных началах руководил д.б.н., проф. Л.И.Сергеев. Исследования были направлены на разработку теоретических основ физиологии растений, связанных с процессами роста, выносливости, развития и их регулирования с помощью физиологически активных веществ – это направление тесно связано с проблемой “Химические средства защиты растений”. Разрабатывались темы:

Получены следующие результаты:

1962-1964 гг. Установлено, что введение АТФ в среду на которой растения находятся под воздействием гербицидов 2,4-Д, повышается токсичность производных хлорфеноксиуксусных кислот для злаков и двудольных растений. Выявлен физиологический антагонизм между гербицидом 2,4-Д и гебберелловой кислотой. Под влиянием 2,4-Д в зонах роста корней растений повышается содержание ДНК. Токсичность гербицидов для сорняков усиливается при добавлении к гербицидной дозе 2,5-5 кг мочевины, микроудобрений, содержащих цинк и бор; при этом урожай культурных растений повышается на 20-50%. Важным показателем токсичности гербицидов является изменение параметров дыхания. Так, повышение интенсивности дыхания, а затем снижение его в листьях пшеницы связано с временным, обратимым, токсическим воздействием гербицидов. Это подтверждается и изменением активности дыхательных ферментов. Стимуляция метаболизма в листьях пшеницы отмечалась спустя 4 недели после обработки.

Лаборатория физиологии древесных растений

В июле 1959 г. по предложению Президиума АН СССР в Институте организована лаборатория физиологии древесных растений, которую возглавил д.б.н., проф. Леонид Иванович Сергеев. 31 июля 1974 г. лаборатория была передана в Отдел биохимии и цитохимии БФАН СССР.

Направление исследований: изучение биофизической и цитохимической природы зимостойкости древесных растений и разработка научных основ повышения ее с помощью физиологически активных веществ. Основные темы:

Получены следующие научные результаты:

1955-1960 гг. Выявлены физиологические различия между зимовыносливыми и незимовыносливыми породами древесных растений. Разработаны научные основы диагностики морозоустойчивости древесных растений по содержанию олигосахаров, миграции Р³², водоудерживающей способности и микрографии генеративных почек.

1961-1974 гг. Разработан графический метод определения соответствия годичных морфофизиологических и биофизико-химических режимов древесных растений особенностям климата того или иного региона. Установлено, что своевременный листопад играет существенную роль в повышении зимостойкости, создает условия для анаэробного дыхания зимующих органов. Анаэробиоз способствует активации процессов синтеза защитных и запасных веществ: олигосахаров, пролина, липоидов, РНК, фосфорилированных соединений, белков, в частности ферментов. В это время образуются комплексные соединения, которых значительно больше у зимостойких пород (связанная РНК и др.). Они по своей природе устойчивы и гидрофильны, создают потенциал физиологической активности, что обеспечивает растениям более раннюю вегетацию и интенсивный рост в следующем году.

Экспериментально установлено, что с помощью физиологических веществ можно изменить биофизико-химические годичные ритмы и повышать зимостойкость древесных растений.