Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшей задачей физиологии растений как фундаментальной науки является создание теоретической основы растениеводства. Новые прогрессивные направления биотехнологии и биоинженерии растений призваны обеспечивать высокую урожайность и устойчивость растений.
Задачу повышения продуктивности растений решают путем выведения новых сортов и гибридов, получения генетически модифицированных организмов, совершенствования агротехнологий, обеспечения защиты растений от вредителей и болезней, а также применения различных, в том числе физических, стимуляторов роста [Эльпинер, 1973; Инюшин, 1970; Веселовский, 1990; Ковалев, 1995; Савин, 1981; Батыгин, 1986; Бут, 1992; Будаговский, 2008].
Известны зависимости биологического эффекта от дозы воздействия, однако существует проблема действия больших и малых доз физических факторов, вызывающих соответственно неадаптивные (повреждение) или адаптивные реакции. Проблеме посвящены многочисленные исследования [Дмитриев, Страцкевич, 1986; Кузин, 1995; Новицкий и др., 2001; Geras’kin et al., 2007]. В настоящее время исследуют молекулярные и клеточные механизмы реакции растений на внешнее воздействие [Fukuda et al., 2004; Mazzucotelli et al., 2006; Mitteler, 2002; Schnitzer, 2007; Wang, 2002; Колесниченко, Войников, 2003; Кузнецов Вл.В., 2006; Тарчевский, 2002], но также актуален целостный подход к анализу реакции растения на внешнее воздействие.
На растения воздействовали импульсным давлением (ИД), поскольку давление влияет на рост и поглощение воды [Felix et al., 2000], флоэмный транспорт [Fensom et al., 1994] и транспорт газов [Afreen et al., 2007], рост и развитие растений [Dumais, Steele, 2000; Kwiatkowska, 2006], а натяжение водных нитей вызывает биоэлектрическую реакцию [Паничкин, 2001]. ИД – это объемное сжатие в течение 15-25 мксек, которое не приводит к механическим нарушениям, но активирует рост и продуктивность растений [Нефедьева, Хрянин, 1999 и др.].
Обработка ИД семян, находящихся в состоянии покоя, вызывает последующие ростовые изменения. Воздействия в малых дозах оставляют в семенах скрытые повреждения, которые реализуются при переходе клеток в жизнедеятельное состояние [Кузин, 1995]. Следовательно, при рассмотрении физиологических эффектов следует учитывать, что они являются следствием процессов, произошедших и индуцированных в семенах в момент обработки ИД.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка научных основ эпигенетического управления морфогенезом растений на основании выявленной зависимости биохимических, морфофизиологических, цитогенетических особенностей и продуктивности растений от параметров ИД и создание на этой базе научно обоснованной технологии повышения продуктивности растений.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи.
-
Проанализированы способы физической стимуляции и особенности физиологических реакций растений на разных уровнях организации живой материи.
-
Разработан метод обработки семян ИД и произведены расчеты параметров ударной волны (УВ) на поверхности обрабатываемых семян.
-
Изучено детально влияние режимов обработки на биологические особенности растений различных видов c использованием анатомических, физиолого-биохимических и цитогенетических методов.
-
Выявлены основные закономерности изменения физиологических особенностей растений в зависимости от интенсивности воздействия УВ.
-
Разработан комплекс научно обоснованных технологических процессов обработки семян ИД для повышения продуктивности и устойчивости растений.
Защищаемые положения
-
Способ воздействия на семена импульсным давлением, позволяющий влиять на межмолекулярные связи растительной ткани, а также режимы воздействия и метод их расчета.
-
Существование на уровне целого организма зоны общей стимуляции – гормезиса – с нормальной динамикой физиологических процессов и небольшой стимуляцией; переходной зоны повышенной вариабельности; зоны стресса с особой динамикой физиологических процессов.
-
Интегральный характер реакции на уровне организма; события на уровне клеток инициируют структурные и физиологические перестройки в апикальных меристемах, которые приводят к гормональным и донорно-акцепторным изменениям, способствующим торможению роста и ускорению развития.
-
Увеличение продуктивности и устойчивости растений дает возможность управлять продукционным процессом растений в различных условиях выращивания.
Научная новизна. Новым научным положением, направленным на раскрытие механизма реакции на внешнее воздействие на уровне растительного организма, является выявление контрастирующих дозовых стратегий, развивающихся под влиянием доз ИД, позволяющих получить непрерывную зависимость физиологических функций от его величины.
Экспериментально доказано, что действие на семена ИД 5-20 МПа в течение чрезвычайно малого времени (12-25 мксек) не вызывает их острой летальности, а способствует полимодальному изменению динамики широкого спектра физиологических процессов растений.
Показано существование в дозовой зависимости на уровне целого растения трех контрастирующих зон: общей стимуляции – гормезиса, переходного состояния и стресса. В первой зоне при действии ИД 5-20 МПа увеличение устойчивости и продуктивности растений на 15-25% является результатом преимущественного накопления гормонов-активаторов и стимуляции физиологических процессов без изменения динамики. В стрессовом состоянии под действием ИД свыше 26 МПа обнаружены изменения структуры опытной партии, нарушение нормальной динамики физиологических процессов растений, преобладание гормонов-ингибиторов, приводящее к торможению роста, изменение донорно-акцепторных отношений с преимущественным оттоком ассимилятов в плоды, приводящее к 2-3-кратному увеличению продуктивности. Доказано, что увеличение вариабельности признаков на целостном уровне при ИД 20-26 МПа соответствует переходному состоянию от гормезиса к стрессу.
Выявлено, что переход в состояние стресса на организменном уровне заключается в интеграции сигналов на уровне апикальных меристем, что приводит к усилению их формообразовательных и акцепторных свойств. Анализ взаимосвязи биохимических, биофизических, анатомо-морфологических и физиологических особенностей растений позволил создать гипотетическую модель запуска реакции на организменном уровне в зависимости от дозы ИД, что открывает новые подходы к исследованию продукционного процесса и выживаемости растений в неблагоприятных условиях.
Практическая значимость. Результаты проведенных расчетов и исследований позволили создать технологию обработки семян ИД для повышения продуктивности [Патент 2083073 РФ; П. м. 85291 РФ] и устойчивости растений [Патент 2377753 РФ], а также для синхронизации клеточных делений [Патент 2180474 РФ]. Разработаны способы создания ИД без использования взрывчатых веществ [П. м. 88244 РФ; П. м. 91504 РФ]. В совхозе «Тепличный» г. Пензы проведены производственные опыты по исследованию морфофизиологических особенностей и урожайности томатов и огурца защищенного грунта после обработки семян ИД, оформлен Протокол (1995 г). Использование метода в производстве позволило в 1995 г. получить фактический годовой экономический эффект 364440 тыс руб. Имеется Акт о внедрении (форма Р-10). На базе ФГУП «Пензенское» в 2003 г проведены полевые исследования, на основании которых выданы Протоколы экспертизы морфофизиологических особенностей и урожайности гречихи сорта Саулык, пшеницы сортов Безенчукская-139 и Пирамида после обработки семян ИД, в которых подтверждено увеличение продуктивности растений на 9-85%. В 2008-10 гг проведены полевые опыты в ВНИИ агролесомелиорации (г. Волгоград), по результатам которых оформлены Протоколы экспертизы урожайности растений ячменя после обработки семян ИД; урожайность растений увеличивалась на 38-58%.
Апробация работы. Материалы работы доложены на 7 межвузовских, 7 всероссийских совещаниях и конференциях; 18 международных конференциях и симпозиумах (1995, 1996, 1997, 1999, 2001, 2006, 2007, 2008 – Москва; 1994, 1999 – Санкт-Петербург; 1996 – Пущино; 1993, 1996, 2007 – Орехово-Зуево; 1996, 2000, 2003 – Пенза; 1997 – Пермь; 2001 – Уфа; 2001 – Саранск; 2003 – Ярославль; 2004 – Петрозаводск; 2005 – Вологда; 2006 – Ростов-на-Дону; 2006 – Самара; 2007 – Сыктывкар; 2009 – пос. Персиановский, 2010 – Волгоград, на научных семинарах в МГУ, ПГПУ, ВолгГТУ, ВНИАЛМИ РАСХН и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 77 работ, в том числе 1 монография (в соавторстве), 23 статьи, в том числе 10 в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, 3 изобретения, 3 полезных модели.
Структура работы. Диссертация написана на 414 страницах, включает введение, обзор литературы (глава I), описание объектов и методов исследования (глава II), изложение полученных результатов (главы III-VI), выводы, список литературы, приложение. Текст иллюстрирован 39 таблицами и 74 рисунками. Список литературы включает 369 отечественных и 240 зарубежных работ. В приложении содержатся результаты исследования всхожести и продуктивности растений в течение 19 лет, копии акта внедрения и протоколов испытаний.
Личный вклад автора. В представленных работах, большинство из которых выполнено в соавторстве с другими исследователями, автором определены основные идеи и направления проводимых исследований [Nefedieva, 2002; 2003 a; 2003 b; Нефедьева и др., 2003, б], предложены и обоснованы новые методы исследования физиологических процессов [Нефедьева и др., 1997; 2009], новые технические и технологические решения [Нефедьева, 2002; Нефедьева и др., 2009], осуществлено планирование экспериментов и обработка полученных данных, проанализированы, обобщены и систематизированы результаты собственных исследований, а также других ученых и специалистов в области физиологии растений.
Благодарность. Научное направление было создано под руководством д.т.н., профессора, Заслуженного деятеля науки РФ Э.С. Атрощенко. Формирование научных представлений автора, расширение и всестороннее раскрытие научной проблемы проходило под влиянием д.т.н., проф., Заслуженного деятеля науки РФ В.И. Лысака и д.т.н., проф. С.В. Кузьмина. Развитию биофизического направления, интерпретации результатов и формированию взглядов автора в этой области способствовали д.б.н., проф. В.А. Веселовский и д.б.н., проф. Т.В. Веселова. Автор получала помощь и консультации при проведении экспериментов по физиологии растений от д.б.н., проф., Заслуженного деятеля науки РФ В.Н. Хрянина. При обсуждении результатов автор получила полезные советы от д.б.н., проф., Лауреата государственной премии СССР, Заслуженного деятеля науки РФ Ю.Б. Кудряшова, д.б.н., проф., члена-корреспондента РАН, лауреата Государственной премии СССР А.Б. Рубина, д.с.-х.н., проф., академика РАСХН К.Н. Кулика, д.б.н., проф., члена-корреспондента РАСХН Н.Н. Третьякова, д.б.н., проф. М.Н. Белицкой, д.б.н., проф. И.В. Владимцевой, д.т.н., проф. А.Б. Голованчикова и д.б.н., проф. И.Г. Тараканова. Автор выражает им глубокую благодарность.
