4. Основные направления исследований современной физиологии растений

В современной физиологии растений различают (по А.Л. Курсанову, 1975) шесть направлений исследований: биохимическое, биофизическое, онтогенетическое, эволюционное, экологическое, синтетическое (кибернетическое).

Биохимическое направление исследует функциональную роль различных органических веществ, образующихся в растениях, закономерности минерального питания, и 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, физико-химические 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 видав 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 молекулярно-биологическом уровне это организация и экспрессия генома, его регуляция, исследование ­мембранных структур и веточных органел, взаимодействие компартментов в клетках, исследование регуляция, исследование мембранных структур и клеточных органел, взаимодействие компартментов в клетках, исследование потоков веществ, энергии и информации в различных системах клетки. На надк­еточном 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 агрономических систем.

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 разработки 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 отношениям фотосинтоический 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 развитом физиологии растений - это физиолого-биохимические и молекулярные основы устойчивости растений к неблагоприятным условиям температуры, водного режима, избытка солей, гипо- н 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 структурно-метаболическом уровне, включающие индукцию синтеза протекторных соединений, сопряженность всех последовательных процессов, начиная с восприятия сигнала клеточными рецепторами, индукции экспрессии генома, синтеза адаптивных белков, изменения липидного и белкового комплекса мембран, далее следуют морфо-структурные 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, зашита генофонда), в условиях полевого земледелия (неблагоприятное воздействие на экологическую среду, резкое ухудшение качества растительной продукции- загрязнение нитратами и нитратами, 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 дал 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.