Фотосинтез и рожай

СОДЕРЖАНИЕ

ФОТОСИНТЕЗ И РОЖАЙ 2

ФОТОСИНТЕЗ, РОСТ И ПРОДУКТИВНОСТЬ РАСТЕНИЙ 6

ФОТОСИНТЕЗ И УРОЖАЙ

Жизнь современного человека

немыслима без выращивания различных культурных растенний. Органические вещества, образуемые ими в ходе фотонсинтеза, служат основой питанния человека, производства лекарств, они нужны для изнготовления бумаги, мебели, строительныха материалов и т. п.

Культурные растения спонсобны быстро размножаться, покрывать зеленым экраном своей листвы громадные плонщади, улавливать колоссальнное количество солнечной энергии и образовывать велинкое множество разнообразных органических веществ. В рензультате фотосинтеза создаетнся 95 процентов сухого венщества растений. Поэтому мы с полным правом можем тнверждать, что правление этим процессом Ч один из наиболее эффективных путей воздействия н продуктивнность растений, на их рожай. Физиологи растений соверншенно правильно считают, что основная задач работ в области фотосинтеза Ч сохраннение и поддержание на более высоком ровне фотосинтетинческой деятельности естестнвенной растительности Земли, максимальное повышение фонтосинтетической продуктив-. ности культурных растений.

Каковы же пути правления человеком фотосинтетической деятельностью растений?

Часто сдерживающим факнтором фотосинтеза является недостаток углекислого газа. Обычно в воздухе присутствунет около 0,03 процента С02. Однако над интенсивно фото-синтезирующим полем его сондержание меньшается иногда в три-четыре раза по сравненнию с приведенной цифрой. Вполне естественно, что из-за этого фотосинтез тормозится. Между тем для получения среднего рожая сахарной свеклы один гектар ее посевов должен сваивать за сутки около 30Ч400 килограммов глекислого газа. Такое колинчество содержится в колоснсальном объеме воздуха.

Опыты известного отечестнвенного физиолога растений В. Н. Любименко показали, что величение количества углекислого газа в атмосфере до 1,5 процента приводит к прямо пропорциональному возрастанию интенсивности фотонсинтеза. Таким образом, один из путей повышения продукнтивности фотосинтеза - венличение концентрации глекиснлого газа в воздухе.

Современный ровень техннологии, в целом, позволяет решить эту задачу в глобальнных масштабах. Однако весьнма сомнительно, чтобы челонвек решился на практике осунществить этот проект. Дело в том, что более высокий уровень содержания глекиснлого газа в воздухе приведет к изменению теплового баланнса планеты, к ее перегреву вследствие так называемого парникового эффекта. Парнниковый эффект обусловлен тем, что при наличии большого количества глекислого газа атмосфера начинает сильнее задерживать испускаемые понверхностью Земли тепловые лучи.

Перегрев планеты может привести к таянию льдов в полярных областях и в высонкогорьях, к поднятию ровня Мирового океана, к сокращеннию площади суши, в том числе занятой культурной раснтительностью. Если честь, что население Земли величинвается еженедельно на 1 милнлион 400 тысяч человек, то понятна крайняя нежелательнность таких изменений.

Человечество весьма обенспокоено естественным ростом концентрации глекислого ганза в атмосфере, наблюдаемым в последние годы в результате интенсивного развития пронмышленности, автомобильнонго, железнодорожного и авианционного транспорта. Поэтому оно едва ли решится когда-либо сознательно стимулиронвать этот процесс в глобальнных масштабах.

В теплицах и на поле венличение содержания глекиснлого газа имеет важное знанчение для повышения рожайнности культурных растений. С этой целью в теплицах сжингают опилки, раскладывают сухой лед на стеллажах, вынпускают углекислый газ из баллонов. Основной способ повышения концентрации Оа над полем - активизация жизнедеятельности почвенных микроорганизмов путем внесенния в почву органических и минеральных удобрений. В процессе дыхания микробы выделяют большое количество глекислого газа. В последние годы для обогащения почвы и припочвенного воздуха Оз поля стали поливать водой, насыщенной глекислым ганзом.

Другой путь преодоления отрицательного влияния низнкой концентрации глекислого газа в атмосфере на рожай - распространение таких форм растений, которые очень интеннсивно фотосинтезируют даже при ничтожно малом его содернжании. Это - С4 - растения. У них рекордные показатенли интенсивности фотосинтеза.

Распространение таких растенний, дальнейшее изучение осонбенностей их фотосинтеза представляется весьма нужнным и перспективным.

Растительность земного шанра довольно неэффективно иснпользует солнечную энергию. Коэффициент полезного дейнствия у большинства дикораснтущих растений составляет всего 0,2 процента, у культурнных он равен в среднем однонму проценту. При оптимальнном снабжении культурных растений водой, минеральнынми солями коэффициент понлезного использования света повышается до четырех - шести процентов. Теоретичеснки же возможен КПД, равный восьми - десяти процентам. Сопоставление приведенных цифр говорит о больших вознможностях в величении фонтосинтетической продуктивнности растений. Однако пракнтическая их реализация встренчает большие трудности.

Повысить эффективность использования солнечной энернгии в ходе фотосинтеза можно, расположив растения на оптинмальном расстоянии друг от друга. В изреженных посевах значительная часть света пронпадет зря, вот в загущеых растения затеняют друг друга, их стебли становятся длинными и ломкими, легко полегающими от дождя и ветнра. В том и другом случае происходит снижение рожая. Вот почему очень важно выбрать для каждой культуры наиболее оптимальное раснстояние. При этом следует чинтывать, что оптимальная плотнность посевов может быть разнличной в зависимости от обеснпеченности растений водой, элементами минерального пинтания и от их особенностей. К сожалению, многие агрононмы не принимают во вниманние названные факторы, понэтому так медленно растет продуктивность наших полей. Наиболее часто растения ненэффективно фотосинтезируют из-за недостатка воды и эленментов минерального питания. Если лучшить словия водонснабжения и питания, то разнмеры листовой поверхности величатся, между ними и величиной рожая обычно сунществует прямая зависимость.

Однако существует некотонрый предел роста эффективнности фотосинтеза, когда дальнейшее лучшение водонснабжения и минерального питания не дает результатов. Дело в том, что при опреденленном размере листовой понверхности (обычно когда на 1 квадратный метр посевов приходится четыре-пять кваднратных метров листьев) раснтения поглощают практически всю энергию света. Если же на единицу площади поля принходится еще большая поверхнность листьев, то в результате затенения их друг другом растения вытянутся, интенсивнность фотосинтеза меныпит-ся. Вот почему дальнейшее лучшение снабжения растенний водой и элементами миненрального питания неэффекнтивно.

В чем же выход из создавншегося положения? ченые понлагают, что в выведении нонвых сортов культурных растенний, отличающихся выгодным строением тела. В частности, они должны иметь компактную низкорослую крону, с вертинкально ориентированными листьями, обладать крупными запасающими (луковицы, клубнни, корни, корневища) и репрондуктивными (семена, плоды) органами.

На повышение плодородия почвы и лучшение водоснабнжения эти сорта будут реагинровать силением интенсивнности фотосинтеза, меренным потреблением продуктов фонтосинтеза (ассимилятов); на рост листьев и других вегетантивных органов, также активным использованием аснсимилятов на формирование репродуктивных и запасающих органов.

Вот какие жесткие требонвания предъявляются теперь к науке, занимающейся выведеннием новых сортов культурных растений, - селекции. Из сканзанного ясно, что без тесного сотрудничества селекционеров с физиологами растений созданние перспективных сортов станновится практически невознможным.

Селекционеры вывели сорта, отвечающие современным требованиям. Среди них - низкорослый рис, созданный в Международном институте ринса в Маниле, хлопчатник Дуплекс, с вертикально ориеннтированными листьями, не зантеняющими друг друга, карлинковая пшеница мексиканской селекции. Эти сорта на фонах высокого плодородия дают в полтора раза более высокие рожаи, чем их предшествеики. Однако это лишь один из путей величения фотосиннтетической продуктивности растений. Дальнейшие силия должны быть направлены на повышение активности самого фотосинтетического аппарата.

Как известно, процесс фотонсинтеза осуществляется в осонбых органоидах - хлороплас-тах. Здесь происходит мнонжество реакций, прежде чем из глекислого газа и воды образуются молекулы органинческих веществ. правлять этими процессами, безусловно, непросто, но возможно. Об этом свидетельствует тот факт, что интенсивность фотосинтеза у разных растений неодинаконва. У одних листовая поверхнность площадью в 1 квадратнный дециметр сваивает за час от четырех до семи миллиграмнмов Ог, у других - 6Ч 80 и даже 100, то есть в 20 раз больше! Растения неодинаково реагируют на его низкую коннцентрацию в воздухе, интеннсивность освещения и т. д.

Изучение особенностей фотосинтеза у разных растений, безусловно, будет способствовать расширению возможноснтей человека в правлении их фотосинтетической деятельнностью, продуктивностью и рожаем.

ФОТОСИНТЕЗ, РОСТ И ПРОДУКТИВНОСТЬ РАСТЕНИЙ

Взаимоотношения роста растений и интенсивности фотонсинтеза отражают непрерывную перестройку фотосинтетинческого аппарата в ходе онтогенеза и динамику формиронвания и активности растущих (аттрагирующих) органов, понтребляющих ассимиляты. Начальный этап развития листа осунществляется за счет деления и роста клеток, затем - лишь путем растяжения. За это время делятся и развиваются хлоропласты, число которых величивается, пока растет объем клетки. В клетках губчатой ткани пластид образуется в 1,5-2,0 раза меньше (у картофеля около 70), чем в пали-садной (20Ч300 органоидов). Новообразование хлоропластов завершается довольно рано, но рост клеток опережает венличение числа хлоропластов, в результате чего в онтогенезе листа их количество в 1 см² убывает вдвое. Однако содержание хлорофилла в хлоропласте продолжает увеличиваться и после достижения хлоропластом наибольшей величины. Максимальнная интенсивность фотосинтеза наблюдается во время роста клеток листа растяжением и начинает несколько снижаться, когда площадь листа составляет 0,Ч0,8 от конечной. Затем процесс фотосинтеза может меньшаться с возрастом листа или не меняется длительное время (особенно у вечнозеленых растений).

На ранних этапах роста (до развертывания 3Ч45% плонщади) лист сам потребляет ассимиляты из более зрелых листьев или из запасающих тканей. По мере роста листа синливается транспорт ассимилятов из него в другие листья и органы и постепенно лист становится донором ассимилятов. Эта функция станавливается при достижении 6Ч90% конечной площади листа. Взрослые листья отдают свои ассимиляты в аттрагирующие зоны растения, оставляя на собственные нужнды 1Ч40% ассимйлятов и почти не обмениваясь между собой продуктами фотосинтеза. Последнее явление, названное А. Л. Курсановым (1961) суровым законом, способствует лучшему распределению ассимйлятов в целом растении. Станреющие листья со слабой фотосинтетической активностью отдают другим органам не только ассимиляты, но и прондукты распада структур цитоплазмы.

Такого рода смена функций листа в онтогенезе важна при формировании рожая. Потребление ассимйлятов молодым листом приводит к построению добавочного фотосинтетиченского аппарата, чем обеспечивается величение фотосинтетиченской активности в геометрической прогрессии. Следует отментить также, что в онтогенезе изменяется соотношение путей фотосинтетического метаболизма. В словиях, когда внешнние факторы не лимитируют скорость фотосинтеза, этот пронцесс целиком детерминируется ростовой функцией (А. Т. Мок-роносов, 1981).

Современные знания о процессе фотосинтеза как на ровне растения, так и фитоценоза, позволяют видеть основные нанправления оптимизации фотосинтеза и величения продуктивнности растений. Наиболее полно вопросы фотосинтетической деятельности растений в посевах, связанной с образованием хозяйственного рожая (используемого человеком), его доли в биологическом рожае (т. е. суммарной массе всех органов раснтения), освещены в работах А. А. Ничипоровича. <_ Наинвысшие рожаи могут быть обеспечены созданием следуюнщих оптимальных условий: 1) величением листовой поверхнности в посевах; 2) длинением времени активной работы фотосинтетического аппарата в течение каждых суток и вегетанционного периода (поддержка агротехникой и минеральными добрениями); 3) высокой интенсивностью и продуктивностью фотосинтеза, максимальными суточными приростами сухого вещества; 4) максимальным притоком продуктов фотосинтеза из всех фотосинтезирующих органов в хозяйственно важные органы и высоким ровнем использования ассимйлятов в ходе биосинтетических процессов.

Для получения высоких рожаев сельскохозяйственных кульнтур необходима селекционно-генетическая работа, направлеая на повышение интенсивности фотосинтеза, скорости оттока ассимйлятов, на величение чистой продуктивности фотонсинтеза.