Физиология растений

Изучает водный обмен и минеральное питание растений, фотосинтез и дыхание, развитие и приспособление растений к неблагоприятным условиям среды. Является теоретической основой земледелия и растениеводства.

Физиология растений зародилась в XVII–XVIII вв. В 1800 г. был опубликован 5-томный труд швейцарского ботаника Ж.Сенебье «Физиология растений».

В России физиология растений как наука возникла в первой половине ХIX в. благодаря трудам А.С.Фаминцына (фундаментальное исследование обмена веществ и энергии у растений) и К.А.Тимирязева (исследование роли хлорофилла в фотосинтезе, обоснование космической роли зеленых растений).

Становлению и развитию физиологии растений в 70-е гг. ХIX в. способствовали ученые Казанского университета: Н.Ф.Леваковский (исследования в области экологической физиологии), В.А.Ротерт (изучал формы движения растений и явление фотопериодизма), Е.Ф.Вотчал (исследовал механизмы передвижения воды по сосудистой системе растений), М.С.Цвет (разработал метод хроматографического анализа, с помощью которого были выделены хлорофиллы а и б и желтые пигменты – каротиноиды). В последующем В.В.Лепёшкин сформулировал представление о коллоидно-химической структуре протоплазмы. А.П.Пономарёв изучал коллоидные свойства и оводненность хлоропластов в связи с влиянием на них различных солей, условий водоснабжения и температуры.

В 1932 г. в Казанском университете была открыта кафедра физиологии растений, которой руководил А.М.Алексеев. В 1950-е гг. физиологические исследования развернулись в Биологическом институте Казанского филиала Академии наук СССР, Татарском научно-исследовательском институте сельского хозяйства, а также в казанских вузах (сельскохозяйственном, педагогическом, ветеринарном институтах).

А.М.Алексеев внес значительный вклад в разработку теоретических основ водного режима растений, им применен термодинамический подход к изучению водного обмена, введены термодинамические показатели – активность и химический потенциал воды, выдвинуто новое представление о водообмене как ингредиенте обмена веществ и о роли водного режима в метаболизме растений. В исследованиях с применением тяжелой воды установлены динамичность и быстрая обмениваемость различных фракций воды в клетках, обмен воды между клетками и атмосферой, показана взаимосвязь водного обмена и состояния воды в клетках с энергетическим обменом растений (Ф.Д.Самуилов), впервые в стране исследовано влияние водного режима на постфотосинтетический путь углерода (И.А.Тарчевский), вскрыты механизм внеустьичной транспирации и энергетическая эффективность транспирации (А.А.Зялалов). Одновременно изучалась взаимосвязь водного режима и минерального питания растений, имеющая важное значение для практики сельского хозяйства (А.М.Алексеев, Н.А.Гусев, Ф.Д.Самуилов).

В 1960-е гг. началось изучение водообмена растений на молекулярном уровне с использованием современных физических методов (ядерный магнитный резонанс, диэлектрическая и инфракрасная спектроскопия), исследовались структура воды в клетках, ее изменение при действии различных факторов (В.Д.Корепанов, Н.А.Мальцев, Л.А.Абецедарская, Ф.Д.Самуилов, А.В.Анисимов, Л.П.Хохлова, И.Н.Ишмухаметова, Н.В.Седых, Г.А.Великанов, Ф.Г.Мифтахутдинова, В.Д.Федотов).

Продолжались исследования функциональной роли воды в организме и клетках: показано значение воды для активности ферментов дыхания (И.Г.Сулейманов), разработана концепция роли воды в координации функций растений (А.П.Петров), установлены физиологический процесс циркуляции калия и механизм сопряженного с ним водного тока (А.А.Зялалов), выявлена роль в регуляции внутриклеточного водного обмена ион-транспортирующих систем клеточных мембран (Л.Х.Гордон), показана роль цитоскелета (Л.П.Хохлова), плазмодесм (А.В.Анисимов, Г.А.Великанов).

Наряду с исследованиями водного обмена и минерального питания проводились научные изыскания в области фотосинтеза. И.А.Тарчевским в 1950-е гг. для изучения продуктов фотосинтеза был применен метод меченых атомов, установлено явление неспецифических изменений фотосинтетического метаболизма под действием неблагоприятных факторов среды (засухи и другого).

Используя метод меченых атомов, аспирант кафедры ботаники Казанского сельскохозяйственного института Ю.С.Карпилов обнаружил, что у кукурузы первичными продуктами фиксации СО₂ и восстановления являются четырехуглеродные соединения – щавелево-уксусная, яблочная и аспарагиновая кислоты. Впоследствии этот тип фотосинтетического метаболизма был назван С4-типом фотосинтеза. Растения с таким типом фотосинтеза более полно усваивают СО₂, снижают расход воды на транспирацию и обладают более высокой продуктивностью.

Исследовались механизмы регуляции фотосинтеза и продуктивности растений: показана зависимость фотодыхания от экспорта сахаров из листа, выявлена природа тормозящего действия нитратного питания растений на экспорт ассимилятов из листьев (В.И.Чиков). Был предложен метод оценки продуктивности растений с помощью хлорофилльных фотосинтетических потенциалов, получивший применение в селекционных центрах (И.А.Тарчевский, Ю.Е.Андрианова).

В 1970-е гг. впервые стали проводиться исследования по фотоэнергетике растений. С использованием фотомикрокалориметрического метода были установлены особенности энергетического обмена растительных клеток (В.Е.Петров), что имело важное значение для выявления механизмов устойчивости растений к стрессовым воздействиям. Показана зависимость устойчивости от фотосинтетического и окислительного фосфорилирования, содержания и динамики макроэргических соединений в клетках, изменения энергетического баланса при дыхании, сопряженности скорости фосфорилирования и окисления (Ф.Д.Самуилов, Л.Х.Гордон, В.Е.Петров).

Из растений выделен циклический аденозинмонофосфат как интермедиат аденилатциклазной сигнальной системы (Ф.Г.Каримова). Разработана концепция функционирования сигнальной системы клеток растений и ее роли в обеспечении устойчивости к неблагоприятным климатическим факторам и иммунитета к патогенным микроорганизмам (И.А.Тарчевский). Обнаружено, что при воздействии ряда природных и химических синтезированных соединений в клетках образуются антипатогенные белки, при этом важную роль играет протонная сигнальная система, работа которой положительно коррелирует с энергетическим обменом. Установлено, что при стрессе активируется генерация активных форм кислорода, в частности, супероксида, что происходит при участии пероксидазы (Л.Х.Гордон).

На кафедре физиологии растений Казанского университета проводились исследования динамики мембранных фосфолипидов при адаптации озимой пшеницы к низким температурам, физиологической роли цитоскелета в формировании механизмов адаптации и устойчивости растений (Л.П.Хохлова, О.В.Олиневич).

В 1988 г. образовано Казанское отделение Общества физиологов растений России (председатель Г.А.Великанов).

Алексеев А.Москва, Гусев Н.А. Влияние минерального питания на водный режим растения. Москва, 1957.

Самуилов Ф.Д. Водный обмен и состояние воды в растениях в связи с их метаболизмом и условиями среды. Казань, 1972.

Гордон Л.Х. Дыхание и водно-солевой обмен растительных тканей. Москва, 1976.

Зялалов А.А. Физиолого-термодинамический аспект транспорта воды по растению. Москва, 1984.

Чиков В.И. Фотосинтез и транспорт ассимилятов. Москва, 1987.

Водный обмен растений. Москва, 1989.