Задачи физиологии растений.

Поскольку человек питается или самими зелеными растениями, или продуктами животного происхождения, а пищей животным служат те же растения, то возможность накормить население Земли зависит в конечном счете от суммарного количества накопленных продуктов фотосинтеза. Поэтому в XIX в. и в первой половине XX в. главной задачей физиологии было управление растительными ор­ганизмами для повышения их продуктивности, создание оптималь­ных условий для жизни растений. Открытие фотосинтеза, дыхания, водного обмена растений, изучение их потребности в элементах минерального питания и адаптации к неблагоприятным условиям делало физиологию растений все более значимой для сельского хо­зяйства. Она стала теоретической основой высокоэффективного земледелия.

Вместе с другими биологическими науками физиология расте­ний послужила фундаментом трех «зеленых революций», каждая из которых приводила к удвоению урожая за счет внедрения новых сортов, внесения удобрений, применения химических средств борьбы с вредителями и химических регуляторов роста растений. В настоящее время наряду с глубоким изучением теоретических про­блем на молекулярном уровне в центре внимания физиологов по-прежнему стоят задачи решения таких практически важных во­просов, как обеспечение условий наиболее полного использования растениями солнечной энергии, С0₂, воды и элементов минераль­ного питания в целях повышения урожая и качества сельскохозяй­ственной продукции. В результате изучения регуляторов роста и развития появилась возможность для искусственного синтеза фи­зиологически активных веществ, с помощью которых удается регу­лировать урожай и защищать растения от вредителей. Все больший интерес вызывают вопросы саморегуляции растением различных процессов, но уже на уровне клетки.

Еще один путь к увеличению производства продуктов пита­ния — улучшение самих растений. Селекционеры создают новые сорта культурных растений, число их все время растет, а физио­логи не только учат тому, как удовлетворять потребности новых и старых сортов в питательных веществах, как управлять ростом и развитием растений, но и помогают разрабатывать новые мето­ды получения таких сортов. Так, активно работая с изолированными клетками, физиологи обнаружили у соматических (неполовых) клеток многих высших растений способность к регенерации, т. е. к восстановлению целого организма из его части. Это открыло перед генетикой и селекцией принципиально новый путь для получения растений с измененной наследственностью, минуя половой процесс. Был разработан способ получения гиб­ридов в результате слияния изолированных протопластов. Про­топласт — это растительная клетка без клеточной стенки. На­пример, с помощью этого метода был получен урожайный сорт картофеля, одновременно устойчивый к вирусной инфекции [Бутенко, 1960]. Известно, что дикий картофель устойчив к ви­русам, но дает низкий урожай, а культурный — наоборот. Поло­вая гибридизация дикого картофеля с культурным не удается. Поэтому для получения гибрида соматические клетки обоих ви­дов обработали ферментами, разрушившими клеточные стенки. Некоторые из полученных протопластов слились. Возникший гибридный протопласт, образовав клеточную стенку, превратил­ся в гибридную клетку. В результате делений этой клетки полу­чили каллус — массу недифференцированных клеток, из которой постепенно развилось растение, устойчивое к вирусам. Такую гибридизацию назвали соматической.

Продовольственную проблему можно решать и за счет расшире­ния посевных площадей. Поскольку все плодородные земли давно распаханы, то увеличение посевных площадей может происходить за счет освоения засушливых и засоленных почв. Однако обычные сельскохозяйственные культуры не могут расти на таких землях. Поэтому ученые ищут среди местной флоры растения, пригодные, например, для корма скота и способные расти на этих новых тер­риториях. Следовательно, физиологи должны хорошо знать осо­бенности существования растений в условиях засухи, на засолен­ных почвах, а также в условиях низких и высоких температур и да­вать соответствующие рекомендации. Освобождающиеся плодород­ные земли можно использовать для выращивания фруктов, ово­щей, зерновых.

Освобождению плодородных почв для сельскохозяйственных культур помогает и выращивание в искусственных условиях (на специальных фабриках) изолированных клеток, тканей и органов, синтезирующих ценные вещества.

Начиная с 50 — 60-х годов XX в. главенствующими становятся экологические проблемы, в том числе проблема повышения устойчи­вости растений к загрязнению окружающей среды, к засухе, засо­ленности почв. В результате хозяйственной деятельности человека создаются новые химические вещества, развиваются промышленность, транспорт, происходят катастрофы и войны. От неправиль­ного применения удобрений и пестицидов происходит 40% за­грязнений. Вырубка лесов приводит к нарушению водного баланса планеты. Все это — новые факторы, действующие на растения. Что­бы уменьшить вред, наносимый природе в результате использова­ния большого количества химических веществ, необходимо созда­вать новые удобрения, растворяющиеся медленно, по мере их ис­пользования, увеличивать биологическую фиксацию азота. Нужны растения, которые сами защищали бы себя от насекомых, выраба­тывая соответствующие токсины.

В наши дни разработка экологических вопросов ведется на кле­точном уровне. Исследователи выясняют, например, изменения мембран в неблагоприятных условиях засухи, засоления, действия пониженных или повышенных температур, повреждение органелл, синтез новых, защитных, белков. В XXI в. физиологи должны на физико-химической основе расшифровать последовательность всех этапов адаптации растений к многочисленным неблагоприятным природным и антропогенным факторам, найти новые методы и технологии решения различных проблем промышленной экологии, включая зоны экологических катастроф.

Физиологи растений обязаны внести свой вклад в сохранение и изучение природных экологических систем, в выяснение роли рас­тений в поддержании стабильности биосферы и газового состава ат­мосферы. Все большее место будет занимать изучение вредных воз­действий, связанных с экологическими последствиями войн, раз­витием крупнейших городов (мегаполисов) и т. д. Поведение расте­ний в нестабильной среде станет центральной проблемой экологи­ческой физиологии растений XXI столетия. В этом столетии фи­зиология растений по-прежнему будет играть ключевую роль в ис­следовании жизни зеленого растения, а добытые ею знания будут активно использоваться человечеством для поддержания стабиль­ного состояния биосферы.