Как можно увеличить эффективность фотосинтеза с целью повышения урожайности
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 19.09.2024
Введение. Фотосинтез - процесс поглощения света и трансформации его энергии в химический потенциал богатых энергией органических соединений в виде углеводов, жиров, белков.
Из многих факторов, которые оказывают влияние на рост и развитие растений, солнечная радиация является наиболее трудно регулируемым фактором. Поэтому важнейшей проблемой современного земледелия является повышение продуктивности посевов путем увеличения использования солнечной радиации в процессе фотосинтеза. Для этого необходимо разрабатывать и внедрять новые методы повышения продуктивности возделываемых культур. Одним из таких методов является возделывание запланированных урожаев, который предусматривает разработку комплекса взаимосвязанных элементов технологии возделывания, своевременное осуществление которых обеспечит достижение расчетного уровня урожая.
М.К. Каюмов [4] отмечает, что необходимо разрабатывать пути интенсификации процессов фотосинтеза в посевах, способных аккумулировать 3-5% солнечной энергии. Поэтому усилия ученых сосредоточены на создании количественной теории фотосинтетической продуктивности растений, а также оптимального аккумулирования солнечной радиации и рационального использования почвенноклиматических ресурсов.
Учет прихода ФАР и разработка всего комплекса агротехнических мероприятий для получения урожаев с высоким уровнем использования этой энергии имеет большое значение в целях выяснения целесообразности внесения удобрений под разные уровни запланированного урожая.
Важными условиями для интенсивного использования солнечной радиации с высоким КПД являются быстрый рост площади листьев в посеве, достижение ее оптимальной величины и долгое пребывание в активном состоянии. В конце вегетационного периода важно, чтобы листья перемещали в репродуктивные запасающие органы максимальное количество пластических веществ, накопившихся в структурах самих листьев. Однако в практике при возделывании сельскохозяйственных культур это условие не всегда выполняется. При недостаточном снабжении растений водой и минеральными веществами, из-за засоренности посадок картофеля площадь листьев будет невысокой. Следовательно, степень поглощения растениями ФАР и интенсивность газообмена также будут невысокими.
Наиболее полное использование климатических ресурсов происходит в посевах с оптимальной, хорошо ориентированной в пространстве фотосинтезирующей системой. Наиболее благоприятным для формирования высоких урожаев является, когда величина листовой поверхности быстро достигает размеров 40-60 тыс. м2/га, а затем, по возможности долго сохраняется в активном состоянии на этом уровне и, наконец, значительно уменьшается или окончательно отмирает, отдавая пластические вещества на формирование клубней. Дальнейшее увеличение площади листьев приводит к уменьшению накопления урожая на единицу площади листьев (к снижению чистой продуктивности фотосинтеза) в связи с тем, что с площадью листьев связана оптическая плотность посева [Мальцев, Каюмов, 7].
По данным Е.А.АИеп, R.K Seott [1] потенциальная урожайность картофеля у среднеспелых и позднеспелых сортов в Западной Европе составляет 90-100 т/га, в Восточной Европе -60-80 т/га. В классических опытах А.Г. Лор- ха [6] была получена урожайность 78,4 т/га. В то же время урожайность картофеля в России остается невысокой. Так, в 20072011 гг. средняя урожайность этой культуры в стране составила 13,1 т/га.
Важным фактором в разработке оптимальных технологий возделывания сельскохозяйственных культур является оценка продуктивности пашни с учетом эффективного плодородия почвы, обеспеченности растений элементами питания вносимых туков и выявление зависимости между этими составляющими.
Одним из путей повышения продуктивности картофельных агроценозов является регулирование минерального питания растений за счет применения сбалансированных по элементам доз удобрений. Для получения высоких урожаев с хорошим качеством клубней, питательные вещества должны быть хорошо доступными растениям, в необходимом количестве и в нужной форме [5].
Целью исследований явилось обоснование норм удобрений под запланированную урожайность 25,0-40,0 т/га клубней раннеспелого сорта картофеля Удача на серых лесных почвах Республики Татарстан.
Условия, материалы и методы исследования. Исследования проводили на опытных полях университета в Казанской пригородной зоне Республики Татарстан. Почва серая лесная, среднесуглинистая. Рельеф опытного участка ровный. Мощность пахотного слоя 26-28 см, рН солевой вытяжки 5,6, содержание гумуса по Тюрину 3,42 %, легкогидролизуемого азота 131136, подвижного фосфора 147-154 и обменного калия 179-184 мг/кг почвы.
Схема однофакторного опыта включала варианты: 1 - без удобрения (контроль); 2 - расчет удобрений на получение 25 т/га; 3 - расчет удобрений на получение 30 т/га; 4 - расчет удобрений на получение 35 т /га; 5 - расчет удобрений на получение 40 т/га клубней.
Посадку проводили при температуре почвы 6-7 0С. В течение вегетации во все фазы развития растений отбирали растительные образцы по 15 штук с каждого варианта опыта. Площадь листьев, фотосинте- тический потенциал (ФП), рассчитывали по А.А. Ничипоровичу (1961). Урожай убирали картофелекопалкой.
Анализ и обсуждение результатов исследования. Метеорологические условия в годы проведения исследований сильно не отличались и были вполне благоприятными для роста и развития растений картофеля.
Число растений на единицу площади оказывает значительное влияние на рост и развитие растений. Учитывая это, нами определялось влияние расчетных норм удобрений на изменение числа растений картофеля по отдельным фазам роста и развития. Результаты анализа показали, что разные фоны питания не оказали существенного влияния на полевую всхожесть картофеля. В зависимости от варианта она составила 99,799,8%. В фазе цветения произошло незначительное уменьшение числа растений (на 0,11-0,17 тыс. шт./га). Аналогичная картина наблюдалась и при определении выживаемости растений, она составила 99,5-99,7% от взошедших растений. Это подтверждает необходимость внесения норм NPK с учетом биологических особенностей культуры и правильного соотношения питательных веществ во вносимых удобрениях.
Площадь листьев и чистая продуктивность фотосинтеза являются основными факторами, определяющими уровень урожая биомассы растений.
Таблица 1 - Площадь листьев посадок картофеля сорта Удача в зависимости от фона питания, тыс. м2/га, 2011-2013 гг.
Сухая масса растений на 90—95% состоит, из органических веществ, источником накопления которых служит фотосинтез, но нельзя считать, что размеры урожая целиком определяются одним лишь этим процессом. Связь между деятельностью фотосинтетического аппарата и урожаем очень сложна и вместе с тем весьма изменчива. Общее количество накопленных органических веществ зависит от соотношения между процессами их синтеза и распада — ассимиляцией и диссимиляцией. Только на дыхание, без которого невозможна жизнедеятельность высшего растения, в среднем расходуется до 15—25% всех продуктов фотосинтеза. Потери на дыхание могут значительно возрастать.
При загущенном посеве, например, нижние, а отчасти и средние листья в результате взаимозатенения становятся не столько фотосинтезирующими органами, сколько потребляющими. Значительные потери органических веществ, до 25% от общего их количества, могут вызываться отмиранием и опадением отдельных частей растения (листьев, цветков, корневых волосков и др.), а также корневыми выделениями в почву. Кроме того, величина урожая во многом определяется общим характером ростовых процессов и темпом роста отдельных органов, продолжительностью вегетационного периода и фотосинтетической активностью листьев.
Для получения высоких урожаев недостаточно лишь постоянно следить за ходом их формирования по состоянию посевов. Необходимо также целенаправленно изменять процессы, которые лежат в основе продуктивности растений. Детальное изучение влияния внешних и внутренних условий на процесс фотосинтеза раскрывает перед человеком перспективы активного вмешательства и сознательного управления этим процессом, а через него — и ходом формирования урожая. Широкое использование специальных приборов обеспечит в недалеком будущем точный контроль за темпом роста площади листьев, степенью снабжения растений элементами минерального питания и водой, за условиями освещения, температурным режимом и т. д. Вполне вероятно, что приборы можно будет программировать таким образом, чтобы они не только сигнализировали о всевозможных отклонениях от оптимального хода формирования урожая, но и автоматически включали в нужные моменты подкормщики, дождеватели, опрыскиватели и др. Все это вполне осуществимо, особенно при выращивании растений в условиях закрытого грунта — теплицах и оранжереях.
В полевых условиях при высоком уровне агротехники высшие растения в среднем дают 15—20 т/га сухой биомассы в год, хотя и это еще далеко не предел. Создавая оптимальный режим фотосинтетической деятельности растений, можно резко повысить их урожайность. Будущее в этом отношении рисуется весьма обнадеживающим.
В последние годы в ряде стран — СССР, США, Японии, Чехословакии — большое внимание уделяется исследованиям по выращиванию хлореллы, сценедесмуса и некоторых других одноклеточных водорослей в лабораторных, полупроизводственных и производственных условиях с целью использования их в разных отраслях народного хозяйства. Повышенный интерес к указанным объектам в значительной мере объясняется их потенциальными возможностями в отношении продуктивности. Выше уже упоминалось, что при выращивании хлореллы в лабораторных условиях удается повысить коэффициент использования энергии солнечной радиации на процесс фотосинтеза примерно до 24%.
Кроме того, исключительное значение придается тому, что химический состав одноклеточных водорослей может очень сильно изменяться в зависимости от условий культивирования. Он поддается регулированию, а это открывает возможность получения клеток с нужным химическим составом. Выращивая хлореллу на питательной среде, богатой азотом, можно получать клетки с очень высоким (до 80% и более) содержанием белков; при недостатке азота в среде клетки хлореллы способны накапливать главным образом жиры. Большим преимуществом культуры водорослей является также и то, что для их выращивания можно использовать площади, непригодные для земледелия.
Массовое культивирование водорослей в установках под открытым небом — это новый мощный источник получения белков, жиров, углеводов, витаминов и других веществ кормового, пищевого и технического назначения. Большие надежды, возлагающиеся на выращивание водорослей с практическими целями, в ряде случаев уже оправдываются.
Общеизвестно значение одноклеточных водорослей для биологической очистки бытовых и промышленных сточных вод, содержащих органические остатки, для повышения производительности прудов, используемых с целью разведения рыбы, а также для повышения плодородия рисовых полей (внесение сине-зеленых азотфиксирующих водорослей в почву).
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Растения - это заводы, которые производят продукцию из света и углекислого газа, но часть этого сложного процесса, называемого фотосинтезом, затруднена нехваткой сырья и оборудования.
Для оптимизации производства ученые из Университета Эссекса решили две основные проблемы, связанные с фотосинтезом, чтобы повысить производительность растений на 27 % в реальных полевых условиях, согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature Plants. Это третий прорыв в исследовательском проекте "Повышение фотосинтетической эффективности" (RIPE); в то же время было доказано, что этот фотосинтетический метод позволяет экономить воду.
Модифицированное растение для фотосинтеза
"Как и заводская линия, растения работают так же быстро, как их самые медленные машины", - говорит Патрисия Лопес-Кальканьо, научный сотрудник постдокторского отделения университета Эссекса, руководившая этой работой в рамках проекта RIPE. "Мы определили некоторые этапы фотосинтеза, которые являются более медленными, и то, что мы делаем, позволяет этим заводам строить больше машин для ускорения этих более медленных этапов фотосинтеза".
Проект RIPE - это международная деятельность, возглавляемая Университетом штата Иллинойс, направленная на развитие более продуктивных культур путем улучшения фотосинтеза - естественного процесса, работающего на солнечном излучении, который все растения используют для фиксации углекислого газа в сахарах, способствующих росту, развитию и, в конечном счете, получению урожая. RIPE поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Американским фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства (FFAR) и Министерством международного развития (DFID) правительства Великобритании.
Производительность завода снижается, когда запасы, транспортные каналы и надежное оборудование ограничены. Чтобы выяснить, какие пределы имеет фотосинтез, исследователи смоделировали каждый из 170 этапов этого процесса, чтобы определить, как растения могут более эффективно производить сахара.
В этом исследовании команда увеличила рост урожая на 27%, решив два ограничения: первое - в первой части фотосинтеза, где растения преобразуют световую энергию в химическую, и второе - где углекислый газ фиксируется в сахарах.
Внутри двух фотосистем солнечный свет улавливается и превращается в химическую энергию, которая может быть использована для других процессов фотосинтеза. Транспортный белок, называемый пластоцианин, перемещает электроны в фотосистему для ускорения этого процесса. Но пластоцианин имеет высокое сродство к его акцепторному белку в фотосистемах, поэтому он зависает вокруг, не в состоянии эффективно перемещать электроны туда и обратно.
Команда решила эту первую проблему, помогая пластоцианину разделить нагрузку с добавлением цитохрома c6—a более эффективного транспортного белка, обладающего аналогичной функцией в водорослях. Пластоцианин требует меди, а цитохром - железа. В зависимости от наличия этих питательных веществ, водоросли могут выбирать между этими двумя транспортными белками.
В то же время, команда улучшила фотосинтетическое узкое место в цикле Кальвина и Бенсона, где углекислый газ фиксируется в сахарах, увеличивая количество ключевого фермента под названием SBPase, заимствуя дополнительное клеточное оборудование у других видов растений и цианобактерий.
Добавив "клеточные вилочные погрузчики" для перемещения электронов в фотосистемы и "клеточные машины" для цикла Кельвина, команда также улучшила эффективность использования воды в растениях, или соотношение биомассы, произведенной и воды, потерянной растениями.
"В ходе наших полевых испытаний мы обнаружили, что эти растения используют меньше воды для производства большего количества биомассы", - сказала главный исследователь Кристин Рейнс (Christine Raines), профессор Школы наук о жизни в Эссексе, где она также выступает в роли про-вице-консультанта по научным исследованиям. "Механизм, ответственный за это дополнительное улучшение, пока не ясен, но мы продолжаем изучать его, чтобы понять, почему и как это работает".
Эти два улучшения, в совокупности, как было показано, повышают урожайность на 52 % в теплице. Что еще более важно, данное исследование показало 27-процентное увеличение роста урожая в ходе полевых испытаний, что является настоящим испытанием для любого улучшения культур - демострацией того, что эти фотосинтетические взломы могут повысить урожайность в реальных условиях выращивания.
"Данное исследование предоставляет прекрасную возможность объединить три проверенных и независимых метода для достижения 20-процентного увеличения производительности сельскохозяйственных культур", - заявил директор RIPE Стивен Лонг, заведующий кафедрой наук о растениях и биологии растений Университета Икенберри Эндауэд в Институте геномной биологии Карла Р. Вуза в штате Иллинойс. "Наше моделирование позволяет предположить, что суммирование этого прорыва с двумя предыдущими открытиями в рамках проекта RIPE может привести к повышению урожайности на 50-60 % в продовольственных культурах".
Первое открытие RIPE, опубликованное в журнале Science, помогло растениям адаптироваться к изменяющимся условиям освещения и повысить урожайность на целых 20 %. Второе открытие проекта, также опубликованное в журнале Science, создало краткое описание того, как растения справляются с глюком при фотосинтезе, что позволяет повысить урожайность на 20-40%.
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
Так как фотосинтез оказывает сильное влияние на формирование урожайности для всех сельскохозяйственных культур, научиться его использовать по максимуму важно не только для достижения научных целей, но и для применения на практике.
Но пока, к сожалению, получить отдачу от процесса фотосинтеза на все 100% не получается. Проблема в том, что после наступления утра или выхода листа из тени требуется некоторое время, прежде чем процесс трансформации солнечной энергии достигнет пика эффективности. А стало быть, в течение этого периода ценная энергия солнца попросту теряется для растения. О том, что это снижает продуктивность сельхозкультур, было понятно и без исследований, однако до проведения специальных экспериментов не было известно о масштабах потери урожайности.
В своих опытах ученые использовали инфракрасные газоанализаторы, подключенные к миниатюрной капсуле с контролируемой средой. В ней симулировались внезапные вспышки света, чередующиеся таким же неожиданным затенением. При этом проводились измерения, сколько времени нужно растению, чтобы достигнуть пика эффективности фотосинтеза. В экспериментах использовалась пшеница как наиболее важная для сельского хозяйства культура.
В результате серии таких опытов удалось выяснить, что пшенице нужно примерно 15 минут, чтобы фотосинтез достиг максимума активности. Используя это значение, а также основываясь на колебаниях света и тени, которые могут возникать в полях пшеницы, ученые смогли подсчитать, на сколько меньше углекислого газа растение абсорбирует за день из-за замедления процесса фотосинтеза. И хотя ожидалось, что смена дня и ночи не оказывает большого влияния на продуктивность, в реальности получилось, что растения могли бы показывать на 21% больше эффективности.
Ботаники университета считают, что это очень значительные потери, поэтому следующим шагом будет поиск видов пшеницы, которые быстрее адаптируются к смене дня и ночи, для использования в селекции в целях повышения урожайности.
По их мнению, открытие может помочь увеличить урожайность во всем мире. В 20 веке урожайность пшеницы выросла довольно сильно, но в 21-м рост продуктивности этой культуры, несмотря на значительный прогресс в селекции и генной инженерии, стал незначительным. Однако ситуацию можно изменить. Тем более что повышение эффективности фотосинтеза не потребует использования воды или удобрений, что является хорошей новостью для защитников окружающей среды.
Читайте также: