Экологические основы устойчивости растений

Экологические основы устойчивости растений

Министерство образования Российской Федерации

Сибирский Государственный Технологический Университет

Кафедра Физиологии растений

РЕФЕРАТ

На тему: Экологические основы устойчивости растений.

Выполнил: Студент гр.32-6

Чебых Евгений Александрович

Проверила:Сунцова Людмила Николаевна

Красноярск 2001г.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. 3

Границы приспособления и устойчивости. 3

Защитные возможности растений. 4

ХОЛОДОСТОЙКОСТЬ РАСТЕНИЙ.. 5

Физиолого-биохимические изменения у теплолюбивых растений при пониженных положительных температурах. 5

Приспособление растений к низким положительным температурам. 6

Способы повышения холодостойкости некоторых растений. 6

МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ.. 7

Замерзание растительных клеток и тканей и происходящие при этом процессы. 8

Условия и причины вымерзания растений. 8

Закаливание растений. 9

Фазы закаливания. 10

Обратимость процессов закаливания. 13

Способы повышения морозоустойчивости. 13

Методы изучения морозоустойчивости растений. 14

ЗИМОСТОЙКОСТЬ РАСТЕНИЙ.. 15

Зимостойкость как устойчивость к комплексу неблагоприятных факторов перезимовки. 15

Выпревание, вымокание, гибель под ледяной коркой, выпирание, повреждение от зимней засухи. 15

Выпирание. 16

Методы определения жизнеспособности с/х культур в зимний, ранневесенний периоды. 17

ЯРОВИЗАЦИЯ.. 18

Типы растений, требующих охлаждения для перехода к цветению.. 19

Виды, для которых характерна реакция на охлаждение и фотопериодизм.. 20

Физиологические аспекты яровизации. 21

Природа изменений, происходящих во время яровизации. 22

ЖАРОУСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ.. 23

Изменения обмена веществ, роста и развития растений при действии максимальных температур. 24

Диагностика жароустойчивости. 25

ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ.. 26

Совместное действие недостатка влаги и высокой температуры на растение. 27

Особенности водообмена у ксерофитов и мезофитов. 27

Влияние на растения недостатка влаги. 29

Физиологические особенности засухоустойчивости сельскохозяйственных растений. 31

Предпосевное повышение жаро- и засухоустойчивости. 33

Диагностика жаро- и засухоустойчивости. 34

Повышение засухоустойчивости культурных растений. 35

Орошение как радикальное средство борьбы с засухой. 35

ТИПЫ РАСТЕНИЙ ПО ОТНОШЕНИЮ К ВОДНОМУ РЕЖИМУ: КСЕРОФИТЫ, ГИГРОФИТЫ И МЕЗОФИТЫ... 36

О природе приспособительных реакций к недостатку воды у разныхгрупп растений. 37

КРИТИЧЕСКИЕ ПЕРИОДЫ В ВОДООБМЕНЕ РАЗНЫХ РАСТЕНИЙ. 38

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 39

ЛИТЕРАТУРА.. 40

ВВЕДЕНИЕ

Территория России включает различные климатические зоны. Значительная их часть приходится на районы неустойчивого зем­леделия, для которых характерны недостаток или избыток осад­ков, низкие зимние или высокие летние температуры, засолен­ность или заболоченность, закисленность почв и др. В этих условиях урожайность сельскохозяйственных культур во многом определяется их устойчивостью к неблагоприятным факторам среды конкретного сельскохозяйственного региона.

Приспособленность онтогенеза растений к условиям среды является результатом их эволюционного развития (изменчивос­ти, наследственности, отбора). На протяжении филогенеза каж­дого вида растений в процессе эволюции выработались опреде­ленные потребности индивидуума к условиям существования и приспособленность к занимаемой им экологической нише. Влаголюбие и теневыносливость, жароустойчивость, холодоустойчи­вость и другие экологические особенности конкретных видов растений сформировались в ходе эволюции в результате длитель­ного действия соответствующих условий. Так, теплолюбивые растения и растения короткого дня характерны для южных широт, менее требовательные к теплу и растения длинного дня — для северных.

В природе в одном географическом регионе каждый вид рас­тений занимает экологическую нишу, соответствующую его био­логическим особенностям: влаголюбивые — ближе к водоемам, теневыносливые — под пологом леса и т. д. Наследственность растений формируется под влиянием определенных условий внешней среды. Важное значение имеют и внешние условия онтогенеза растений.

В большинстве случаев растения и посевы (посадки) сельско­хозяйственных культур, испытывая действие тех или иных небла­гоприятных факторов, проявляют устойчивость к ним как ре­зультат приспособления к условиям существования, сложившим­ся исторически, что отмечал еще К. А. Тимирязев. Способность к эффективной защите от действия неблагоприятных абиотичес­ких и биотических факторов среды, устойчивость к ним возделы­ваемых видов и сортов — обязательные свойства районирован­ных в данном регионе сельскохозяйственных культур.

Адаптация (приспособление) растения к конкретным условиям среды обеспечивается за счет физиологических механизмов (фи-

зиологическая адаптация), а у популяции организмов (вида) — благодаря механизмам генетической изменчивости, наследствен­ности и отбора (генетическая адаптация). Факторы внешней среды могут изменяться закономерно и случайно. Закономерно изменяющиеся условия среды (смена сезонов года) вырабатывают у растений генетическую приспособленность к этим условиям.

Границы приспособления и устойчивости

В естественных для вида природных условиях произрастания или возделывания растения в процессе своего роста и развития часто испытывают воздействие неблагоприятных факторов внеш­ней среды, к которым относят температурные колебания, засуху, избыточное увлажнение, засоленность почвы и т. д. Каждое рас­тение обладает способностью к адаптации в меняющихся услови­ях внешней среды в пределах, обусловленных его генотипом. Чем выше способность растения изменять метаболизм в соответ­ствии с окружающей средой, тем шире норма реакции данного растения и лучше способность к адаптации. Это свойство отли­чает устойчивые сорта сельскохозяйственных культур. Как пра­вило, несильные и кратковременные изменения факторов внеш­ней среды не приводят к существенным нарушениям физиологи­ческих функций растений, что обусловлено их способностью сохранять относительно стабильное состояние при изменяющих­ся условиях внешней среды, т. е. поддерживать гомеостаз. Одна­ко резкие и длительные воздействия приводят к нарушению многих функций растения, а часто и к его гибели.

При действии неблагоприятных условий снижение физиоло­гических процессов и функций может достигать критических уровней, не обеспечивающих реализацию генетической програм­мы онтогенеза, нарушаются энергетический обмен, системы ре­гуляции, белковый обмен и другие жизненно важные функции растительного организма. При воздействии на растение неблаго­приятных факторов (стрессоров) в нем возникает напряженное состояние, отклонение от нормы — стресс. Стресс — общая не­специфическая адаптационная реакция организма на действие любых неблагоприятных факторов. Выделяют три основные группы факторов, вызывающих стресс у растений (В. В. Поле­вой, 1989): физические — недостаточная или избыточная влаж­ность, освещенность, температура, радиоактивное излучение, ме­ханические воздействия; химические — соли, газы, ксенобиотики (гербициды, инсектициды, фунгициды, промышленные отходы и др.); биологические — поражение возбудителями болезней или вредителями, конкуренция е другими растениями, влияние жи­вотных, цветение, созревание плодов.

Сила стресса зависит от скорости развития неблагоприятной для растения ситуации и уровня стрессирующего фактора. При медленном развитии неблагоприятных условий растение лучше приспосабливается к ним, чем при кратковременном, но силь­ном действии. В первом случае, как правило, в большей степени проявляются специфические механизмы устойчивости, во вто­ром — неспецифические.

Защитные возможности растений

В неблагоприятных природных условиях устойчивость и про­дуктивность растений определяются рядом признаков, свойств и защитно-приспособительных реакций. Различные виды растений обеспечивают устойчивость и выживание в неблагоприятных ус­ловиях тремя основными способами: с помощью механизмов, которые позволяют им избежать неблагоприятных воздействий (состояние покоя, эфемеры и др.); посредством специальных структурных приспособлений; благодаря физиологическим свой­ствам, позволяющим им преодолеть пагубное влияние окружаю­щей среды.

Однолетние сельскохозяйственные растения в умеренных зонах, завершая свой онтогенез в сравнительно благоприятных условиях, зимуют в виде устойчивых семян (состояние покоя). Многие многолетние растения зимуют в виде подземных запасаю­щих органов (луковиц или корневищ), защищенных от вымерза­ния слоем почвы и снега. Плодовые деревья и кустарники умерен­ных зон, защищаясь от зимних холодов, сбрасывают листья.

Защита от неблагоприятных факторов среды у растений обес­печивается структурными приспособлениями, особенностями анатомического строения (кутикула, корка, механические ткани и т. д.), специальными органами защиты (жгучие волоски, ко­лючки), двигательными и физиологическими реакциями, выра­боткой защитных веществ (смол, фитонцидов, токсинов, защит­ных белков).

К структурным приспособлениям относятся мелколистность и даже отсутствие листьев, воскообразная кутикула на поверхности листьев, их густое опущение и погруженность устьиц, наличие сочных листьев и стеблей, сохраняющих резервы воды, эректоидность или пониклость листьев и др. Растения располагают различными физиологическими механизмами, позволяющими приспосабливаться к неблагоприятным условиям среды. Это САМ-тип фотосинтеза суккулентных растений, сводящий к ми­нимуму потери воды и крайне важный для выживания растений в пустыне и т. д.

Многочисленными физиологическими изменениями сопро­вождается развитие холодоустойчивости и морозостойкости у

495

озимых, двулетних и многолетних растений при уменьшении длины дня и снижении температуры в осеннее время. У сельско­хозяйственных растений особое значение имеет устойчивость, определяемая выносливостью клеток растений, их способностью адаптироваться в изменяющихся условиях среды, вырабатывать необходимые для жизнедеятельности продукты метаболизма. Лучше всего растения переносят неблагоприятные условия в со­стоянии покоя.

Первым сигналом для перехода к состоянию покоя является сокращение светового периода. При этом в клетках растений начинаются биохимические изменения, приводящие в конечном счете к накоплению запасных питательных веществ, снижению оводненности клеток и тканей, образованию защитных структур, накоплению ингибиторов роста. Примером такой подготовки могут служить сбрасывание листьев в осенний период у много­летних растений, развитие запасающих органов у двулетних и образование семян у однолетних.

ХОЛОДОСТОЙКОСТЬ РАСТЕНИЙ

Устойчивость растений к низким температурам подразделяют на холодостойкость и морозоустойчивость. Под холодостойкос­тью понимают способность растений переносить положительные температуры несколько выше О 0С. Холодостойкость свойственна растениям умеренной полосы (ячмень, овес, лен, вика и др.). Тропические и субтропические растения повреждаются и отми­рают при температурах от 0 до 10 0С (кофе, хлопчатник, огурец и др.). Для большинства же сельскохозяйственных растений низ­кие положительные температуры негубительны. Связано это с тем, что при охлаждении ферментативный аппарат растений не расстраивается, не снижается устойчивость к грибным заболева­ниям и вообще не происходит заметных повреждений растений.

Степень холодостойкости разных растений неодинакова. Многие растения южных широт повреждаются холодом. При температуре 3 °С повреждаются огурец, хлопчатник, фасоль, ку­куруза, баклажан. Устойчивость к холоду у сортов различна. Для характеристики холодостойкости растений используют понятие температурный минимум, при котором рост растений прекращается. Для большой группы сельскохозяйственных растений его величина составляет 4 °С. Однако многие растения имеют более высокое значение температурного минимума и соответственно они менее устойчивы к воздействию холода.

Накопление зеленой массы кукурузой не происходит при тем­пературе ниже 10 оС. Устойчивость растений к холоду зависит от периода онтогенеза. Разные органы растений также различаются по устойчивости к холоду. Так, цветки растений более чувстви­тельны, чем плоды и листья, а листья и корни чувствительнее стеблей. Наиболее холодостойкими являются растения раннего срока посева.

Для сравнения рассмотрим особенности прорастания малоус­тойчивой к холоду кукурузы. При температуре 18—20 оС всходы у кукурузы появляются на 4-й день, а при 10—12 "С — только на 12-й день. О холодостойкости растений косвенно можно судить по показателю суммы биологических температур. Чем меньше эта величина, тем быстрее растения созревают и тем выше их устойчивость к холоду. Показатели суммы биологических темпе­ратур соответствуют скороспелости растений: очень раннеспелые имеют сумму биологических температур 1200 оС, раннеспелые — 1200—1600, среднераннеспелые — 1600—2200, среднеспелые — 2200—2800, среднепозднеспелые — 2800—3400, позднеспелые — 3400-4000 оС.

Физиолого-биохимические изменения у теплолюбивых расте­ний при пониженных положительных температурах.

Повреждение растений холодом сопровождается потерей ими тургора и из­менением окраски (из-за разрушения хлорофилла), что является следствием нарушения транспорта воды к транспирирующим органам. Кроме того, наблюдаются значительные нарушения физиологических функций, которые связаны с нарушением об­мена нуклеиновых кислот и белков. Нарушается цепь ДНК -> РНК -> белок -> признак.

У некоторых видов растений наблюдаются усиление распада белков и накопление в тканях растворимых форм азота. Из-за изменения структуры митохондрий и пластид аэробное дыхание и фотосинтез снижаются. Деградация хлоропластов, разрушение нормальной структуры пигментно-липидного комплекса приво­дят к подавлению функции запасания энергии этими органоида­ми, что способствует нарушению энергетического обмена расте­ния в целом. Основной причиной повреждающего действия низ­кой температуры на теплолюбивые растения является нарушение функциональной активности мембран из-за перехода насыщен­ных жирных кислот из жидкокристаллического состояния в со­стояние геля, а также общие изменения процессов обмена ве­ществ. Процессы распада преобладают над процессами синтеза, происходят нарушение проницаемости цитоплазмы (повышение ее вязкости), изменения в системе коллоидов, снижается (пада-

ет) осевой градиент потенциалов покоя (ПП), активный транс­порт веществ против электрохимического градиента.

Изменение проницаемости мембран приводит к тому, что нарушаются поступление и транспорт веществ в растения и отток ассимилятов, токсичных веществ из клеток. Все эти изме­нения существенно снижают жизнеспособность растений и могут привести к их гибели. Кроме того, в этих условиях растения более подвержены действию болезней и вредителей, что также приводит к снижению качества и количества урожая.

Приспособление растений к низким положительным темпера­турам.

У растений более холодостойких отмеченные наруше­ния выражены значительно слабее и не сопровождаются гибе­лью растения (табл. 1). Устойчивость к низким температу­рам — генетически детерминированный признак. Изменение уровня физиологических процессов и функций при действии низких положительных температур может служить диагности­ческим показателем при сравнительной оценке холодостойкос­ти растений (видов, сортов). Холодостойкость растений опре­деляется способностью растений сохранять нормальную струк­туру цитоплазмы, изменять обмен веществ в период охлаждения и последующего повышения температуры на до­статочно высоком уровне.

Для оценки холодостойкости растений используют различные методы диагностики (прямые и косвенные). Это холодный метод проращивания семян, сверхранние посевы в сырую и непрогре­тую почву, учет интенсивности появления всходов, темпов роста, накопления массы, содержание хлорофилла, соотношение коли­чества электролитов в надземной и подземной частях растения, оценка изменчивости изоферментного состава и др.

1. Минимальные температуры роста вегетативных и генеративных органов различных растений, оС

Культуры по степени устойчивости к холоду

Всходы и вегетативные органы

Генеративные органы

Устойчивые: яровая пшеница, ячмень, овес, горох, чина, сахарная свекла

4-5

8-10

Среднеустойчивые: люпин однолетний, бобы, лен, под­солнечник, гречиха

5-6

7-8

10-12

12-15

Малоустойчивые: просо, кукуруза, соя, сорго, фасоль Неустойчивые: рис, хлопчатник, бахчевые, арахис

11-13 14-15

15-18 18-20

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7