Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений

пойкилоксерофиты (уходят от неблагоприятных условий - степные тюльпаны, лишайники),

2. Гигрофиты - водные растения - не переносят засухи и высоких температур,

3. Мезофиты - произрастают в условиях достаточного водоснабжения - подавляющее большинство культурных растений.

Причины возникновения полегания и меры борьбы с ним.

Под влиянием избыточного увлажнения, а также при наличии ветра, у мезофитов, имеющих достаточно большую вегетативную массу, наблюдается явление полегания. Это явление приносит большие неудобства при возделывании растений с использованием промышленных технологий обработки растений и их уборке, особенно большие убытки наблюдаются при полегании злаковых культур. Это явление связано с тем, что при избыточном увлажнении отмечается быстрый рост растений, междоузлия разрастаются, вытягиваются, а образование скелетных структур (синтез целлюлозы, лигнина, входящих в клеточные стенки) запаздывает, поэтому прочность стебля уменьшается.

Для снятия этого явления необходимо предпринимать следующие профилактические меры:

недопущение загущения посевов,

недопущение передозировки азотных удобрений,

недопущение чрезмерного увлажнения при искусственном орошении.

При тенденции к полеганию для высокорослых культур рекомендуется использовать ретарданты, т.е. вещества, замедляющие рост растений, например, хлорхолинхлорид.

4. Приспособление растений к уровню кислотности почвы.

Большое значение имеет уровень рН почвы, определяющий как устойчивость растений в целом, так и иммунитет к тем или иным возбудителям болезней и вредителям. Уровень кислотности почвы определяет подвижность питательных веществ, доступность их растениям. Такие сельскохозяйственные культуры, как арбуз, баклажан, гречиха, земляника, картофель, крыжовник, лен, малина, пастернак, петрушка, рис, смородина, табак, яблоня, оптимальным уровнем кислотности является рН = 5,5-6,5, а виноград, горох, шампиньон, капуста, кукуруза, лимон, лук, люцерна, морковь, огурец, перец, подсолнечник, пшеница, редис, салат, свекла, сельдерей, слива, томат, фасоль, ячмень предпочитают более щелочные почвы, где уровень рН = 6,0-7,5.

Уровень кислотности почвы влияет на накопление и превращение в доступную форму в почве тяжелых металлов. Как было отмечено на международной научно-практической конференции "Мины замедленного действия", проходившей в Москве в 1992 году, в конце 80-ых годов было зафиксировано резкое увеличение концентрации тяжелых металлов и других токсичных веществ в продуктах сельского хозяйства, а также в подземных водах, в реках, при этом никаких объективных показателей к этому в виде выбросов предприятий, аварий, не наблюдалось. Оказалось, что это повышение концентрации тяжелых металлов является последствием длительного поступления в среду небольших количеств этих веществ, которые накапливаются в почве или осадочных отложениях. При повышении кислотности почвы почва перестает удерживать эти загрязняющие вещества. Установлено, например, что при снижении рН почвы с 6,0 до 5,5 происходит опасный выброс кадмия, который способен накапливаться в течение многих лет, поскольку входит в состав минеральных удобрений в виде ничтожной примеси.

5. Приспособление растений к повышенному уровню засоления.

Засоление почв - это довольно широко распространенное явление в мире. Засоленные почвы составляют до 25% всей поверхности суши.

В течение года общее содержание солей в верхнем горизонте почвы подвержено значительным колебаниям. Это обусловлено водным режимом почвы, наличием в верхнем ее слое нисходящих и восходящих токов воды, переносящих легкорастворимые соли. Хлориды передвигаются в почве быстрее, чем сульфаты, поэтому в почвах хлоридного засоления содержание солей в разных горизонтах колеблется с большей амплитудой. В зимне-весенний период содержание солей в корнеобитаемом слое почвы наименьшее (соли промываются в более глубокие слои почвы осадками), а летом и осенью - соответственно возрастает.

Соли промываются вглубь при обильных осадках, орошении, а поднимаются наверх при резком повышении температуры воздуха, ветрах, усиливающих испарение.

По степени приспособленности к засолению растения делят на две группы:

галофиты, переносящие высокий уровень засоленности (в основном дикорастущие виды),

гликофиты, не приспособленные к высокому уровню засоления (практически все сельскохозяйственные культуры).

Засоление вызывает у растений задержку и недружное появление всходов вследствие "физиологической сухости" засоленных почв, а, значит, замедленное набухание и прорастание семян, подавление фазы деления и растяжения клеток из-за ослабления синтетических процессов в связи с накоплением в клетках повышенных количеств ионов солей, при этом корни являются более чувствительными органами к ингибирующему эффекту засоления, чем надземные органы, снижение уровня концентрации стимуляторов роста, увеличение уровня концентрации ингибиторов роста, снижение урожайности культур.

При засолении наблюдаются такие изменения в обмене веществ растений, как увеличение осмотического потенциала клеток вследствие накопления в цитоплазме гидрофильных (осмотически активных) ионов солей, повышение проницаемости протоплазмы из-за повышенного выделения ионов кальция, снижение интенсивности фотосинтеза из-за плохого оттока синтезированных пластических веществ из листьев в другие органы, возрастание количества свободных аминокислот и амидов и замедление активности синтеза белков, снижение энергетической эффективности дыхания.

Для оценки солеустойчивости растений используют оценку на биологическую и агрономическую солеустойчивость.

Под биологической солеустойчивостью вида следует понимать тот предел засоления, при котором растения еще способны полностью завершить онтогенетический цикл развития и воспроизвести всхожие семена. Это фактически солевыносливость растения и ее количественным выражением является концентрация почвенного раствора, являющаяся для данного вида критической.

Под агрономической солеустойчивостью понимают тот предел засоления, при котором сорт или вид сохраняет свою урожайность по сравнению с незасоленным фоном.

Для оценки агрономической солеустойчивости в селекции растений используют такие методы оценки, как:

проращивание семян в солевых растворах,

проведение опытов по технологии водных культур с использованием разных питательных смесей,

проведение опытов в вегетационных или вегетационно-полевых сосудах с использованием разных фонов почвенного засоления,

использование таких физиологических методов, как плазмолитического, определения скорости раскрывания устьиц, определения скорости и степени выцветания хлорофилла.

Наиболее солеустойчивой сельскохозяйственной культурой является сахарная свекла, затем в порядке убывания располагаются ячмень, пшеница, рис, овес, сорго, приосо, кукуруза, люпин, бобы, фасоль, горох, соя.

Существует тесная корреляция между солеустойчивостью и засухоустойчивостью, солеустойчивостью и скороспелостью. Сорта, приспособленные к возделыванию в засушливых зонах, обладают более высоким уровнем солеустойчивости, чем сорта, предназначенные для возделывания в оптимальных условиях влагообеспеченности.

Солеустойчивость растения меняется и в онтогенезе, при этом наименьшая солеустойчивость отмечается у молодых растений, при формировании вегетативной массы солеустойчивость повышается, при переходе к бутонизации она опять понижается, а после цветения - повышается.

В практике сельского хозяйства используют следующие приемы повышения солеустойчивости при возделывании культур:

солевая закалка семян (замачивание в растворах соли на 1 час перед посевом),

внесение в почву микроэлементов (бора, марганца, меди), что дает положительный эффект на слабо и среднезасоленных фонах,

селекция солеустойчивых сортов,

мелиоративные мероприятия по промывке солей,

фитомелиорация (возделывание галофитов, которые накапливают в вегетативной массе много солей, а затем их удаление с мелиорируемого участка).

Приспособление растений к содержанию загрязняющих атмосферу газов.

С развитием цивилизации, а, следовательно, и промышленности, одним из наиболее значительных воздействий человека на окружающую среду стало изменение состава атмосферного воздуха. Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу самые различные газы, среди которых наиболее значимы для растений углекислый газ, хлор, сернистый газ, фтор, окислы азота. Под воздействием солнечного излучения ряд этих веществ в совокупности создает "фотохимический смог". Растения по-разному реагируют на вещества, выбрасываемые в атмосферу.

Повышенные концентрации углекислого газа для растений вполне благоприятны и стимулируют фотосинтетические процессы. Однако, в целом в природе резкое повышение концентрации углекислого газа приводит к "парниковому эффекту", что влечет за собой перегрев поверхности земли и изменения в климате.

Наиболее опасными для растений являются такие газы, как окислы азота, сернистый газ, фтор, хлор.

Сернистый газ. Под влиянием сернистого газа на листьях растений появляются некрозы, локализованные между жилками листа, у хвойных пород листья буреют. ПДК по сернистому газу составляет для растений 0,15-0, 20%, тогда как для человека - 4-5%.

Наиболее чувствительны к сернистому газу суккуленты, из сельскохозяйственных культур - зерновые, бобовые травы, хлопок, соя, томат, салат, редис, фасоль, свекла, морковь, из древесных пород - дуб, сосна, ольха.

Наиболее устойчивы - картофель, лук, огурцы, кукуруза, ива, клен.

Окислы азота. Под влиянием окислов азота на листьях растений появляются некрозы, имеющие буровато-черную или темно-красную у хвойных пород окраску пятен.

Фтор. Под влиянием фтора на листьях растений появляются некрозы, локализованные по периферии листа, у хвойных пород - на кончиках листьев. ПДК по фтору составляет для растений 0,002-0,003мг/м³.

Наиболее чувствительны к фтору из сельскохозяйственных культур - люцерна, ячмень, овес, кукуруза, яблоня, абрикос, персик.

Наиболее устойчивы - пшеница, картофель, лук, табак, соя, томат, фасоль, хлопок, огурец, береза.

Хлор. Под влиянием хлора на листьях растений появляются пятна белого цвета, которые сохнут и крошатся. ПДК по хлору составляет для растений 0,15-0, 20%, тогда как для человека - 4-5%.

Наиболее чувствительны к хлору из сельскохозяйственных культур - люцерна, хлопок, пшеница, подсолнечник, лук, табак, из древесных пород - липа, клен, сосна.

Фотохимический смог является наиболее опасным типом загрязнения атмосферы из-за наличия в нем свободных радикалов, перекиси водорода, высокой концентрации оксидантов, таких как озон. Под воздействием оксидантов клетки листьев набухают, нижняя поверхность листа приобретает серебристый или бронзовый оттенок, а верхняя покрывается пятнами. Листья увядают.

Наиболее чувствительны к фотохимическому смогу из сельскохозяйственных культур - люцерна, бобы, свекла, сельдерей, укроп, салат, подсолнечник, томат, декоративные растения.

Для предотвращения повреждения растений вредными составными веществами атмосферы в практике используют такие приемы, как:

Агротехнические (обильный полив, внесение удобрений).

Внекорневые подкормки, обработка стимуляторами роста и фунгицидами, содержащими медь, что повышает устойчивость растений к неблагоприятным воздействиям окружающей среды.

Подбор состава устойчивых растений для городских зеленых насаждений. Особенной устойчивостью к вредным газам в атмосфере отличаются такие древесные и кустарниковые породы, как клен серебристый, липа войлочная, ель, каштан, вяз, лох, тополь черный, шелковица, акация белая, тамарикс. Эти растения являются своеобразными биологическими фильтрами.

Приспособление растений к биотическим факторам - болезням, вредителям.

Одним из наиболее существенных внешних биотических факторов, влияющих на растение, является воздействие вредного организма - вредителя или возбудителя болезни. Важно понимать, что по отношению к большинству существующих вредных организмов любой вид растений обладает абсолютным иммунитетом. Эволюция вида растения и вредного организма в природе происходит параллельно, поэтому в силу сопряженной эволюции относительно немногочисленные виды паразитических организмов приспособлены к питанию определенным видом растений.

Повреждение растений вредителями приводит чаще всего к потере листовой поверхности, потерям урожая, нарушении всасывающей или проводящей системы и, как следствие, к гибели или существенному ухудшению состояния растений.

По отношению к вредителям у растений существуют приспособления морфологического или биохимического характера, которые позволяют растению или избежать повреждения, т.е. отпугнуть вредителя, или ограничиться минимальными повреждениями.

Сложнее складываются взаимоотношения растения и возбудителя болезни.

Поражение растений возбудителями болезней (вирусами, бактериями, грибами) приводит к многочисленным изменениям обмена веществ, выражающимся в таких симптомах, как:

увеличение проницаемости цитоплазмы, а значит увеличение количества выделяемых клеткой веществ, нарушение осмотического давления и тургора,

изменение интенсивности транспирации, которая может либо увеличиваться при нарушении механизма регуляции открытия или закрытия устьиц (при поражении ржавчинными грибами, кладоспориозом), либо уменьшаться при закупорке устьиц (при поражении мильдью винограда),

нарушение водного режима при поражении корневой или сосудистой системы (увядание под действием токсинов паразита, закупорка сосудов клетками микроорганизмов),

снижение фотосинтетической активности при поражении листьев (появление пятен, разрушение хлорофилла, покрытие листовой поверхности мицелием гриба),

истощение больного растения при питании паразитом за счет углеводов, синтезируемых растением,

изменение обмена азотистых соединений, которое может выражаться в возрастании свободных аминокислот и повышении содержания аммиака и мочевины (при поражении ржавчинными грибами), изменении качественного состава аминокислот,

уменьшение интенсивности дыхания в результате отмирания тканей.

В природе существует достаточно стабильная система существования комплекса растений, микроорганизмов, насекомых в едином биоценозе, где соблюдается баланс видов и никогда не встречается полного уничтожения одного из них.

Потери урожая в сельском хозяйстве обеспечены, собственно, антропогенным влиянием, так как при масштабном развитии сельского хозяйства происходит распространение одного вида растений на больших площадях, сужается генетическое разнообразие популяции, резко сокращается число культур, используемых человеком в пищу, селекция сортов на вкусовые и урожайные качества, как правило, сопровождается у них потерей устойчивости к вредным организмам.

Впервые термины "иммунитет растений" и "фитоиммунология" были применены И.И. Мечниковым, а затем упрочены Н.И. Вавиловым. По современным представлениям функция иммунитета организма состоит в поддержании структурной и функциональной целостности организма, в охране постоянства его внутренней среды от любой чужеродной генетической информации.

Существует ряд теорий, объясняющих природу иммунитета. Единой теории иммунитета пока не предложено, однако имеющиеся гипотезы со временем безусловно войдут в единую систему, теоретически обосновывающую все аспекты образования иммунитета организма.

В современной науке обоснованы следующие теоретические предпосылки к теории о природе иммунитета растений:

механическая (толщина клеточной стенки, опушенность, восковый налет, быстрота рубцевания повреждений),

хемотропическая (выделение растением веществ, привлекающих или отталкивающих паразитические организмы),

фагоцитарная (внутриклеточное переваривание паразитических форм клетками растений, наличие у растений стационарных фагоцитов),

кислотная (коррелятивная связь между концентрацией органических кислот и устойчивостью растения к паразитам, восприимчивость к болезням сортов с высокой концентрацией сахаров),

генетическая, предложенная Н.И. Вавиловым, объясняющая основные закономерности существования иммунных сортов (специализация паразитических видов, соответствие реакций иммунитета к паразитическим заболеваниям экологическому типу растения, иммунитет вида к ряду однотипных заболеваний),

фитонцидная, предложенная Б.П. Токиным, объясняющая иммунитет растений наличием специфических веществ в клетках растения - фитонцидов, фитоалексинов - обеспечивающих неспецифический иммунитет у растений.

В заключение курса физиологии растений следует отметить, что знание природы метаболизма растений, особенностей роста и развития растений в онтогенезе, основных приемов по управлению развитием растений, осуществлению всех функций растений, является той основой практической деятельности агронома, которая позволяет осмысленно применять те или иные приемы при возделывании растений, получать максимально возможные в конкретных климатических и экономических условиях урожаи, подбирать к возделыванию культуры и сорта, возделывание которых будет максимально эффективным.

В современном мире с помощью информации о физиологических закономерностях в растительном организме существуют следующие перспективы в развитии агрономической науки:

создание сортов растений с помощью методов генетической инженерии с использованием плазмидных технологий, селекция на иммунитет на токсинном уровне, отбор растений по биохимическим признакам и микроклональное размножение растений,

развитие направления создания растений-азотфиксаторов с помощью биотехнологических методов синтеза единого генотипа растительного и бактериального происхождения,

создание сортов растений с максимально возможным коэффициентом полезного действия использования фотосинтетически активной радиации,

введение в число сельскохозяйственных культур новых ныне дикорастущих видов растений (гваюла - содержащая каучук, хохоба - содержащая жидкий воск, спаржевый горох - богатый белком вид).

Размещено на Allbest.ru