Научная работа

На специальных анализирующих фонах проведена комплексная оценка стресс-устойчивости сортов и гибридов яровой пшеницы различных ареалов обитания, отобраны морфофизиологические, биохимические и биофизические показатели, которые могут служить как тесты на стресс-устойчивость и продуктивность яровой пшеницы в ранние этапы онтогенеза на разных экологических фонах: почвенная засуха, переувлажнение, уплотнение почвы (Н.Н. Третьяков, Э.Н. Аканов, А.Ф. Яковлев, В.П. Холодова, А.Б. Мещеряков, Вл.В. Кузнецов, О.Г. Семенов, М.С. Синявин, В.В. Кутузов, О.С. Яковлева).

Изучены морфофизиологические адаптации различных сортов пшеницы, ячменя, овса, кукурузы и гороха к действию водного дефицита и гипоксии в лабораторных и полевых условиях с использованием данных СО2-газообмена и электрофизиологических показателей (Н.Н. Третьяков, Э.Н. Аканов, А.Ф. Яковлев, Л.А. Паничкин, Н.М. Клочкова, В.В. Кутузов, Н.В. Кондратьев, М.С. Синявин, Н.Н. Фаттахова, Абдель Хаким Юнис Юсеф Аллам, Савадога Махамаду, Ян Цицзянь).

Изучено влияние давления субстрата и объема среды корнеобитания на рост и развитие растений кукурузы, пшеницы и картофеля (Н.Н. Третьяков, В.А. Шевченко, А.Д. Сечкин, В.В. Кутузов). Показано, что адаптивные возможности растений к действию стрессоров можно оценивать по анализу кинетических кривых газообмена с учетом суточного баланса СО2 с помощью разработанной газометрической установки (Н.Н. Третьяков, Э.Н. Аканов, Н.В. Кондратьев, Н.М. Клочкова).

Изучены свойства трансгенных растений томатов при недостатке воды и засолении (Г.В. Карнаухова, А.А. Соловьев).

Изучено изменение гормонального баланса, морозо- и зимостойкости люцерны под действием хлорхолинхлорида (Н.Н. Третьяков, И.С. Бондарь, Б.Е. Бумажный, В.В. Гомер), влияние эпина, янтарной кислоты и других препаратов на устойчивость яровой пшеницы и гороха к действию абиотических факторов (Н.Н. Третьяков, А.Ф. Яковлев, Э.Н. Аканов, Н.М. Клочкова).

Установлена возможность использовать показатели динамики изменения биоэлектрических потенциалов для разделения сортов на биотипы по их устойчивости к аноксии (М.С. Синявин). Получены новые данные о влиянии электростатического поля на прямую регенерацию эксплантов картофеля (Н.Н. Третьяков, Ч. Сувд, В.Н. Овчинникова, Л.А. Паничкин, Э.Н. Аканов, О.С. Мелик-Саркисов, Т.И. Пузина). На базе Пермской сельскохозяйственной академии проведены полевые опыты по определению оптимальных фотосинтетических показателей при выращивании перспективных для производства сортов картофеля, обеспечивающих максимальную продуктивность и сохранность клубней в период хранения (Н.Н. Третьяков, Д.В. Кузякин, И.Л. Маслов).

В течение ряда лет на кафедре совместно с Университетом Дружбы народов и ИФР АН проводится комплексное изучение адаптационных свойств и продуктивности перспективных аллоцитоплазматических форм пшеницы, в том числе гибридных, выделенных на кафедре. Они превышают по урожайности стандартные сорта (испытания проведены в НИИ ЦРНЗ в Немчиновке и Прикаспийском НИИ аридного земледелия), обладают устойчивым гетерозисным эффектом (О.Г. Семенов, Н.Н. Третьяков, А.Ф. Яковлев, Савадога Махамаду, Фредерик Мугенди Джока).

Оригинальные исследования начаты по физиологии растений «зимних садов» с терапевтическим эффектом, коллекция которых создана на кафедре (О.С. Яковлева). Остается актуальной интродукция скороспелых генотипов кукурузы в центральный регион России. Исследованиями в полевых условиях и фитотроне изучены показатели адаптации большой группы новых гибридов кукурузы отечественной селекции к температурным и световым условиям, показано регуляторное значение света слабой интенсивности (ниже компенсационного значения фотосинтеза) в росте и развитии (Н.Н. Третьяков. А.В. Гавадзюк, В.А. Сенников).

Следует особо отметить, что изучение физиолого-биохимических механизмов стресс-толерантности проводится с участием сотрудников ИФР АН, где с 1997 г. функционирует филиал кафедры, способствующий повышению эффективности образовательной и научно-исследовательскую работы наших аспирантов и студентов.

Показано, что хозяйственно ценный урожай хлебных злаков может ограничиваться как донорными возможностями фотосинтезирующей системы, так и аттрагирующей емкостью запасающих органов (М.Н. Кондратьев, Н.Н. Третьяков, Ю.С. Ларикова).

Исследованы донорно-акцепторные отношения между продуктивными побегами в системе целого растения яровой и озимой пшеницы. Установлено, что взаимосвязь между продуктивными побегами в кусте яровой пшеницы проявляется и в постфлоральный период, причем доминирующую роль играет главный побег. Проведено комплексное изучение донорно-акцепторных отношений и продукционного процесса, оценки «силы донора» и «силы акцептора» в модельных системах. Формирование адаптивного потенциала на организменном и ценотическом уровнях зависит от оптимального соотношения главного и боковых побегов в кусте, от генотипических различий.

Исследована физиолого-биохимическая разнокачественность семян озимой пшеницы в зависимости от генотипических и фенотипических особенностей их формирования. Показано, что признак разнокачественности семян регулируется не только заложением зерновок в колосе, но и уровнем питания растений; путем моделирования различных типов куста и фотосинтетического аппарата растений яровой пшеницы изучено перераспределение азотосодержащих веществ по органам растения. Показана возможность определения ацидофицирующей (подкисляющей) активности корней проростков генотипов озимой пшеницы для оценки корневых систем проростков, полученных из зерновок различной выполненности; для ранжирования проростков по ацидофицирующей способности как интегральному показателю функциональной активности корней рекомендовано использовать раствор Ca(NO3)2 вместо KCl (М.Н. Кондратьев, Ю.С. Ларикова, Де Союза Э.Ж.).

В опытах с пекинской капустой показана возможность регулирования уровня проявления фитотического фактора (заболевание верхушечным ожогом) с помощью абиотического фактора – солей кальция, вносимых как в питательный раствор, так и внекорневым способом (В.В. Кидин).

Эффективность использования азота для формирования урожая является одним из признаков для проведения отбора генотипов растений.

Изучалась эффективность использования азота и напряженность донорно-акцепторных отношений у генотипов гороха и кукурузы (Е.И. Кошкин, Ю.Н. Бондаренко, С.С. Котикова, О.Г. Посыпанов); в опытах использовали изогенные линии гороха с измененным типом листа при разных уровнях азотной обеспеченности. Установлено, что морфотип гороха с редуцированными листовыми пластинками – «усатый морфотип» – имеет более высокую азотную продуктивность фотосинтеза по сравнению с обычным морфотипом, перспективен для селекции и производства, является хорошей моделью для изучения взаимосвязи углеродного и азотного метаболизма растений.

Получены также новые данные о причине абортивности бобов у разных морфотипов гороха. В опытах использовали генотипы кукурузы, различающиеся по эффективности использования азота (способности формировать урожай в условиях азотного дефицита. Изучение влияния азотного дефицита на донорную и акцепторную активность органов растений показало, что лимитирование урожая зерна у неэффективного генотипа происходит в результате низкой акцепторной активности генеративных органов, что у эффективного генотипа зерна апикальной части початка лучше снабжаются фотоассимилятами. В опытах, проведенных в университете Штуттгарта (Германия), выяснялись причины абортации зерна кукурузы на низком азотном уровне питания у генотипов, контрастно различающихся по эффективности использования азота, установлена связь этого явления с активностью инвертазы.

Изучались показатели углеводного метаболизма в зависимости от уровня азотного питания и положения зерна в початке. Представляют большой интерес исследования эколого-физиологических аспектов ценотического взаимодействия культурных и сорных растений. Поиск параметров, определяющих конкурентоспособность сорных растений в посеве, важен для разработки биологических методов борьбы с сорняками в экологически чистом земледелии. Экспериментальные данные позволяют сделать вывод о более высоком уровне азотной продуктивности у сорных растений (щетинник зеленый и куриное просо) по сравнению с яровой пшеницей, о возможности использовать этот параметр для оценки конкурентоспособности растений в ценозе (Е.И. Кошкин, И.И. Петрова).

На основе анализа критической длины дня, продолжительности ювенильного периода и уровня чувствительности к сумеречному свету определена норма реакции по уровню фотопериодической чувствительности у ряда видов овощных растений, представляющих разные биоморфы.

Впервые получены данные о роли гиббереллинов и абсцизовой кислоты в регуляции процессов, связанных с фотопериодической или температурной индукцией цветения растений лука, а также с формированием луковицы. В опытах с тропическими экотипами лука репчатого впервые установлено флоригенное действие С-13-негидроксилированных гиббереллинов (физиологически активная форма ГА4) при прохождении растениями фотопериодической индукции и термоиндукции. На ряде биоморф показана роль световых сигналов на основе изменения соотношения красного и дальнего красного света в индукции первичных реакций синдрома избегания затенения; установлено, что у растений горчицы сарептской реакция на уменьшение соотношения красного и дальнего красного света связана с увеличением содержания в гипокотилях  С-13-негидроксилированных гиббереллинов. Проведен скрининг биотипов из ряда популяций в условиях разных световых режимов и определена их норма реакции на фитогормоны, участвующие в трансдукции световых сигналов, что позволило охарактеризовать причины внутрипопуляционной изменчивости по уровню фотопериодической чувствительности. Установлены  общие механизмы в регуляции процессов роста и развития растений в рамках их эколого-ценотических стратегий на основе принципа опережающего отражения действительности с участием световых сигналов.

В настоящее время генеральным направлением экспериментальных работ кафедры являются исследования по теме «Разработка физиологического обоснования способов применения новых высокотехнологичных источников облучения на основе светодиодов в системах интенсивного культивирования растений».

Светодиоды являются новыми альтернативными энергоэкономичными облучателями, производящими только необходимый (заданный) спектр и выделяющими значительно меньше тепла.  В ряде работ последнего времени показана возможность успешного выращивания растений под светодиодными облучателями, что связано с началом производства мощных светодиодов различных спектров.

Появление сверхярких светоиспускающих диодов – принципиально новых источников облучения - создает уникальные возможности для качественного развития светокультуры, в том числе – для разработки методов тонкой регуляции физиологических процессов в растениях на уровне молекул и атомов. Их внедрение открывает новые возможности  в регуляции фотосинтеза и роста растений в овощеводстве и цветоводстве в условиях светокультуры. Прежде всего это касается подбора оптимального спектрального состава света с учетом биологических особенностей вида, что в дальнейшем означает переход на сортовые технологии в светокультуре. С помощью комбинаций облучателей, дающих свет разного спектрального состава, можно будет эффективно управлять морфогенезом растений, их габитусом, переходом к цветению, качеством получаемой продукции. Использование светодиодов позволяет также менять геометрию осветительных установок, освещая, к примеру, растения под разным углом, учитывая изменения их высоты и уровня загущения и т.д.

Светодиоды решают вопрос генерации света большой яркости с очень малым потреблением энергии на его производство, что позволит существенным образом уменьшить энергопотребление. Таким образом, использование светодиодов станет одной из инновационных ресурсосберегающих технологий в растениеводстве. Внедрение данной технологии - это актуальная необходимость нашего времени, как в регионах с малым количеством солнечных дней так и регионах с повышенным солнечным радиационным фоном.

Благодаря  возможности конструировать с помощью светодиодов световые режимы с четко заданными спектральными характеристиками у экспериментаторов появился новый мощный метод, который можно назвать комбинаторной светокультурой. С использованием узкополосных светодиодов нами в лаборатории физиологии растений РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева создан экспериментальный стенд, позволяющий моделировать световой режим с разным соотношением синего и красного света (с учетом спектра действия фотосинтеза  в этих же волновых диапазонах). Принципиальным в наших исследованиях является использование источников монохроматического света высокой интенсивности, достаточной для полноценного фотосинтеза и нормального роста растений и изучение действия узкополосного спектра физиологической радиации на процессы интенсивного роста и развития растений, что представляет фундаментальный и практический коммерческий интерес.

Новым перспективным направлением в этой связи является выращивание в светокультуре лекарственных растений. Управление спектральным составом света в облучательных установках позволяет регулировать вторичный метаболизм в растениях, направляя его на повышенный синтез веществ, входящих в состав лекарственного сырья. Управление спектральным составом света при выращивании овощных растений, например, томата, позволяет существенно улучшить пищевкусовые качества продукции, опять же за счет смещения реакций вторичного метаболизма растений в нужную сторону. Широкие возможности использование заданного спектрального состава света открывает для целей микроклонального размножения растений in vitro. Особенно это важно для трудноразмножаемых редких видов растений, в том числе и древесных. Данная работа будет весьма перспективна в связи с европейскими программами восстановления лесов.

Уже полученные нами данные по комплексной оценке физиологического состояния растений, выращенных под облучателями с узкополосным спектром излучения, позволят разработать подходы к тонкой регуляции фотосинтетической деятельности и минерального питания растений в условиях новой технологии светокультуры и разработать технологии полного замещения естественного света на искусственный, с получением продукции высочайшего качества в течение всего года в независимости от сезонных и климатических факторов, а также параметров солнечного излучения. Спектр наших исследований в данном направлении расширяется.

Кафедра и лаборатория физиологии растений Тимирязевской академии традиционно, начиная с 1950-х годов осуществляла пионерские исследования в связи с появлением новых поколений облучателей для растениеводства. Здесь велись фундаментальные и прикладные исследования в области светокультуры растений (В.М. Леман, О.С. Фанталов, Е.Е. Крастина и др.), инициатором которых был академик Н.А. Максимов. Разработанные на основе исследований лаборатории рекомендации по светокультуре и изданный учебник способствовали тому, что она стала новым высокоэффективным агрономическим приемом, позволившим значительно интенсифицировать производство в защищенном грунте. Поэтому неслучайно, что параллельно с разработкой агроинженерных систем и технологий выращивания сельскохозяйственной продукции в условиях светокультуры на основе светодиодов в РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева с 2010 года начата подготовка магистров по программе «Фитотехнологии и биопродукционные системы». Изучение физиологических основ управления продукционным процессом растений и агрофитоценозов при возделывании сельскохозяйственных культур открытого и защищенного грунта, в инженерных системах интенсивного культивирования включает, в частности, такие дисциплины, как «Системы интенсивного культивирования растений», «Физиологические основы продукционного процесса», «Инновационные технологии в растениеводства», «Инновационные агробиотехнологии», «Средоулучшающие технологии». Целью данной программы является подготовка магистра сельского хозяйства к деятельности, требующей углубленной фундаментальной и профессиональной подготовки в области разработки и реализации передовых наукоемких технологий в различных отраслях полеводства, овощеводства, плодоводства и декоративного растениеводства  и в сфере высоких фитотехнологий, в том числе подготовка к проектно-технологической, научно-исследовательской, научно-производственной и инновационной работе.

Таким образом, инновационная деятельность в области разработки и внедрения светодиодных облучателей в сельскохозяйственном производстве опирается и на подготовку специалистов нового поколения, способных грамотно и эффективно эксплуатировать данное оборудование, а также участвовать в совершенствовании технологий светокультуры.

С 2020 года в рамках программы «Наука и университеты» кафедра физиологии растений принимает активное участие в создании и развитии Научного центра мирового уровня «Агротехнологии будущего» с двумя проектами: «Разработка полифункциональной платформы по высокопроизводительному фенотипированию растений» и «Разработка наукоемких технологий интенсивного культивирования растений («умная» сити-ферма)».