Фотофизиология растений: от фундаментальных основ к управлению продукционным процессом

82-е Тимирязевское чтение, д.б.н., проф. Иван Германович Тараканов

Свет играет исключительно важную роль в жизнедеятельности растений. Прежде всего, он обеспечивает растительный организм энергией, необходимой для поддержания фотосинтетической деятельности. В этом заключается его витальная (жизненно необходимая для растения) роль. Кроме того, свет несет важную информацию, используемую растениями для регуляции  роста и развития, что свидетельствует о его сигнальной роли. Особое значение это приобретает в связи с тем, что растения ведут прикрепленный образ жизни. У представителей разных биоморф и функциональных типов растений световые условия оказывают решающее действие на реализацию адаптивных эколого-ценотических стратегий на трофическом и регуляторном уровнях. Информация о внешней среде, поступающая со световыми сигналами, позволяет им оптимизировать поглощение солнечной радиации и приспосабливаться к сезонным изменениям условий произрастания. У растений функционирует ряд фотосенсорных систем (на основе пигментных комплексов фитохромов, криптохромов, фототропинов, рецепторов ультрафиолетового излучения), позволяющих им "чувствовать" соседей по растительному сообществу и успешно конкурировать за свет, реагировать на фотопериодические сигналы и синхронизировать свой онтогенез с изменяющимися внешними условиями (цветение и плодоношение в наиболее благоприятное время года, переход в состояние покоя у многолетних видов накануне неблагоприятного сезона и т.д.). Таким образом, реакции растений на длину дня (фотопериодические условия) и на качество света (прежде всего – на его спектральный состав) занимают важное место в системе экологического контроля развития, обеспечивая необходимую пространственно-временную регуляцию физиологических процессов в растительном организме и в фитоценозе, оптимизируя условия для фотосинтетической деятельности и реализации репродуктивной стратегии.

Экологическая физиология растений традиционно изучает адаптации на диких видах и мутантах, отдавая предпочтение модельным растениям. В то же время не меньший интерес представляют различные виды культурных растений, относящиеся к разным жизненным формам и представляющие богатый материал по географической изменчивости. Давление отбора, которому они подверглись в процессе доместикации и дальнейшей селекции, в значительной мере повлияло на характер и ритмику их роста и развития, а также особенности продукционного процесса. Изучение местных сортовых популяций и отселектированных сортов и гибридов дает возможность проследить селекционные тренды и исследовать физиологические механизмы, лежащие в основе приспособительных реакций. Использование материалов из генных банков позволяет выявить механизмы адаптации к определенным эколого-географическим условиям разных местообитаний и установить роль световых сигналов в системе экологического контроля развития растений. Изучение фундаментальных физиологических процессов на примере культурных растений является необходимым элементом частной физиологии отдельных культур и сортовой физиологии.

Стремительное внедрение наукоемких технологий интенсивного культивирования, включая закрытые системы (фабрики растений, вертикальные теплицы) в значительной мере обусловлено развитием светокультуры растений. Благодаря прорывам в технологических разработках сегодня у нас появились уникальные возможности перехода к оптимизации световых режимов выращивания (прежде всего – спектрального состава света), модулированию параметров светового режима в течение суточного цикла и онтогенеза в целом и эффективным механизмам тонкой фоторегуляции физиологических процессов в растениях. В лекции приводятся разнообразные примеры использования светодиодных облучателей в фундаментальных фотобиологических исследованиях и в наукоемких растениеводческих технологиях. Сегодня речь уже идет о принципиально новых подходах к разработке смарт-технологий светокультуры растений, базирующихся на возможности эффективной регуляции их фотосинтетической деятельности и продукционного процесса с одной стороны, и широком использовании современных цифровых технологий (компьютерное зрение и машинное обучение, искусственный интеллект, Интернет вещей) – с другой стороны.

Рассмотрению вышеперечисленных фундаментальных и прикладных проблем, иллюстрированных примерами из работ кафедры физиологии растений РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, будут посвящены 82-е Тимирязевские чтения.