СОДЕРЖАНИЕ Введение 2 Связь фотосинтеза с продуктивностью 7 Методы и достижения селекции на продуктивность 16 Методы моделирования в селекции на продуктивность 25 Заключение 27 Библиографический список 30 ВВЕДЕНИЕ С ростом человеческой популяции по прогнозу она в 2025 г. составит 8 млрд. человек основной проблемой общества станет обеспечение населения Земли продовольствием Сакмак, 2003 . В соответствии с расчетами количество производимых продуктов питания в следующие два десятилетия должно удвоится.
В связи с тем, что площадь пахотно-пригодных земель ограничена, приоритетными направлениями исследований остаются вопросы повышения продуктивности культур. Особую актуальность исследованиям придает существующая в настоящее время тенденция к снижению урожайности сельскохозяйственных культур в мире. Наиболее мощным рычагом увеличения урожаев, по словам докладчика, является улучшение питания растений.
Повышение продуктивности сельскохозяйственных культур за последние сорок лет было достигнуто за счет увеличения использования азотных удобрений в 6.9 раза, фосфорных - в 3.5 и только в 1.1 раза за счет роста посевных площадей. Как показывают расчеты, использование удобрений к 2030 г. должно увеличится до 200 млн. т, тогда как в 1993 г. оно составляло 183 млн. т. Чрезмерное применение удобрений в свою очередь приведет к возрастанию нагрузки на окружающую среду. Для предотвращения экологической катастрофы необходимо решение ряда экономических и биологических проблем, таких как повышение эффективности использования удобрений, увеличение фиксации азота бобовыми культурами, применение органических удобрений.
Усиливается роль микроэлементов, которые, увеличивая устойчивость растений к стрессовым ситуациям, повышают их продуктивность и качество продукции. Возрастает роль молекулярной биологии в отборе генотипов растений с более эффективным использованием элементов питания, более устойчивых к неблагоприятным почвенным условиям кислотность, засоление. Уже в настоящее время получены клоны растений, которые способны произрастать в условиях дефицита отдельных элементов, преодолевать токсичность алюминия и тяжелых металлов.
Важным в перспективе является получение генотипов зерновых культур, имеющих возможности к фиксации азота из воздуха. Продуктивность растения у зерновых колосовых культур представляет произведение числа продуктивных стеблей, среднего числа зерен в одном колосе и массы одного зерна.
Урожайность сорта - популяции - определяется произведением продуктивности и числа растений. Сумма и взаимодействие одновременно протекающих физиологических, биохимических, биофизических и других процессов метаболизма, обеспечивающих формирование хозяйственно ценных органов и продуктов вторичного обмена путем оптимизации и координации этих процессов на основе генетического контроля и донорно-акцепторных отношений, составляет суть продукционного процесса у растений.
С позиций системного подхода растительный организм представляет собой открытую, неравновесную, саморегулирующуюся и саморазвивающуюся систему, способную к самовоспроизведению. Его целостность обеспечивается системами регуляции и интеграции. Важнейшими из них являются генетическая, гормональная, метаболическая, мембранная, трофическая и электрофизиологическая. Усиливая или ослабляя рост, развитие и другие процессы, эти системы во взаимодействии с факторами внешней среды и приемами агротехники почвенно-климатические условия, обработка почвы, удобрения, орошение, способы использования культуры, фиторегуляторы, физические факторы и т. д. определяют тип морфогенеза, структуру, продуктивность, качество и адаптацию растений.
Знание теории процессов формирования урожая дает возможность управлять ими и, в конечном счете, оптимизировать. С теоретической точки зрения оптимизация формирования урожая - это познание с позиций системного подхода наиболее глубоких, внутренних связей в организме для выявления закономерностей фотосинтетической деятельности, роста и развития растений во взаимодействии с условиями выращивания.
В практическом плане оптимизация формирования урожая - оптимальное обоснование и разработка методов и технологий, позволяющих эффективно использовать ограниченные, как правило, генетические, почвенно- климатические, материальные и другие ресурсы на основе моделирования. На продуктивность растений влияют такие показатели, как фотосинтетическая продуктивность, соотношение между фотосинтезом и расходом веществ при дыхании.
Для роста продуктивности необходимо, прежде всего, селекционными методами улучшать признаки растений, разрабатывать и применять технологические приемы их выращивания, обеспечивающие повышение использования световой энергии в процессе фотосинтеза. ДИНАМИКА РОСТА УРОЖАЙНОСТИ В МИРЕ В 50-60-е годы прошлого столетия достижения биологической и сельскохозяйственной науки обеспечили в экономически развитых странах увеличение урожайности зерновых культур в 2-3 раза и более.
При этом в среднем, треть прироста урожайности была получена за счет внедрения короткостебельных сортов, повышения устойчивости растений к болезням и вредителям, отзывчивости на факторы интенсификации земледелия Касаева, Ковалев, 1989 . В развивающихся странах Индия, Мексика быстрый рост в 60-70-х годах урожайности зерновых связывают с сортосменой. В экономически развитых странах, где темпы роста урожайности в этот период были не менее значительными, а абсолютные приросты - намного выше табл. 1 , ведущая роль в увеличении производства зерна отводилась интенсификации земледелия, которая требовала создания более отзывчивых на данные факторы сортов. Так, в ФРГ, в период с 1952 по 1975 год ежегодный прирост урожайности озимой пшеницы составил 92 кг га, в том числе 62 обусловило совершенствование технологии и 38 - внедрение новых сортов яровой пшеницы - соответственно 82 кг га, 68 и 32 озимого ячменя - 93 кг га, 81 и 19 ярового ячменя - 59 кг га, 49 и 51 овса - 58 кг га, 59 и 41 кукурузы на зерно - 196 кг га, 66 и 34 озимой ржи - 62 кг га. 13 и 87 Шевелуха, 1998 . Таблица 1. Среднегодовые приросты урожайности зерновых культур в мире и некоторых зернопроизводящих странах с 1948 по 1988 гг. по данным ФАО Страна 1948 52- 1961 65 1961 65- 1967 69 1967 69- 1973 75 1973 75- 1979 81 1979 81- 1986 88 ц га ц га ц га ц га ц га Мир - всего 0,29 2,5 0,40 3,3 0,33 2,3 0,53 3,2 0,50 2,3 СССР 0,19 2,4 0,59 5,8 0,25 1,9 -0,12 -0,8 0,55 4,0 Великобритания 0,85 3,1 0,14 0,5 0,73 2,3 1,07 3,2 1,23 2,6 Канада 0,16 1,3 0,40 3,1 0,27 1,1 0,47 2,8 0,11 0,5 США 0,81 4,0 0,76 3,3 0,40 1,6 1,33 4,3 0,36 0,8 Франция 0,85 4,3 1,58 6,5 0,93 3,0 0,93 2,6 1,41 3,0 ФРГ 0,49 2,1 1,40 5,4 0,68 2,1 0,55 1,6 1,36 3,1 По данным Национального института агроботаники Великобритании, до 1957 года основную роль в росте урожайности зерновых в стране играли гербициды и удобрения, в последующее десятилетие-повышение норм азота при возделывании новых, устойчивых к полеганию сортов, после 1967 года - сортосмена.
Удельный вес селекции в приросте урожайности пшеницы по этим периодам составлял соответственно 38, 42 и 60 . В США наиболее резкое повышение продуктивности зерновых наблюдалось в 50-70-е годы в результате изменения структуры посевов в пользу более урожайных культур, сортосмены, использования лучших семян, широкого применения удобрений, пестицидов и орошения, совершенствования сельскохозяйственной техники.
В бывшем СССР наибольшие среднегодовые приросты урожайности зерновых культур наблюдались в 60-х и 80-х гг соответственно, 0,59 и 0,55 ц га табл. 1 . В 60-х и примерно до середины 70-х годов прогресс в селекции зерновых соответствовал возросшему уровню интенсификации и культуры земледелия.
С появлением сортов полуинтенсивного типа - пшеницы Мироновская 808, Безостая 1, ячменя Московский 121, ржи Восход 1 и Восход 2 и других существенно возросли в стране урожайность и валовые сборы зерна.
Однако в дальнейшем это равновесие было нарушено.
Быстрые успехи селекции в создании высокопродуктивных короткостебельных сортов интенсивного типа, требовавших высокого агрофона и дифференцированной агротехники, максимально точного учета биологии сорта и растений, не сопровождались соответствующим прогрессом земледелия в производственных условиях.
В результате сорта, обеспечивающие весомые прибавки урожая в условиях высокой культуры земледелия на этапах их создания и сортоиспытания, в производстве резко снизили урожайность.
С другой стороны, адаптивные свойства интенсивных сортов часто не отвечали экологическим условиям возделывания. Например, повсеместная замена в конце 70-х - начале 80-х годов в Нечерноземной зоне России сорта ячменя Московский 121 на высокопродуктивные, более устойчивые к полеганию сорта зарубежной селекции Надя, Эльгина, Дворан и др. на 80 площадей посева не дали должной отдачи из-за несоответствия культуры поля требованиям этих сортов и их биологии в более экстремальных условиях Нечерноземья Жученко, 2003 . Повышение среднегодовых приростов урожайности зерновых в 80-х годах обусловлено широкомасштабным применением в этот период интенсивных технологий их возделывания, связанных с резким увеличением уровня техногенных факторов.
Однако, как показал опыт освоения интенсивных технологий за ряд лет, их отдача в целом по стране оказалась намного ниже нормативной. Тормозом на пути технологического обновления производства во многих случаях стали несовершенство действующего механизма хозяйствования, слабая материально-техническая база хозяйств, низкое качество и высокая стоимость поставляемых под интенсивные технологии ресурсов, их экологическая небезопасность и другие неблагоприятные условия.
Селекция и интенсификация технологий определили современный высокий уровень урожайности зерновых в ряде экономически развитых стран табл. 2 . Вместе с тем, резкое уменьшение уровня применения техногенных факторов в сельском хозяйстве России привело к снижению урожая зерновых включая зернобобовые культуры за период с 1990 по 1995 гг. с 18,5 до 11,6 ц га. Таблица 2. Средняя урожайность зерновых культур в мире и ряде стран, ц га по Назаренко,1996 Страна 1990 г. 1995 г. В мире 25,9 26,0 Великобритания 60,1 63,2 США 47,1 46,4 Канада 26,3 26,0 Франция 59,8 63,2 Германия 53,7 59,4 Венгрия 44,1 44,3 Россия 18,5 11,6 Украина 34,9 24,4 Высокий уровень использования в зарубежных технологиях химических средств, механизация и мелиорация приводят к загрязнению биосферы, засолению почв, развитию эрозионных процессов, увеличению затрат на единицу продукции, росту цен на средства труда, дефициту водных и энергетических ресурсов.
Эти издержки интенсивной технологии возделывания зерновых находят отражение в снижении приростов их урожайности, наблюдающемся в ряде развитых стран.
Поэтому, если базироваться только на существующих технологиях, вряд ли можно надеяться на получение в дальнейшем более высоких приростов урожайности, чем в 60-70-е годы XX века. Обеспечить необходимые темпы роста продуктивности зерновых культур позволит лишь перевод технологии их возделывания на качественно новый уровень.
По мнению зарубежных специалистов в условиях снижения на мировом рынке цен на зерно и возрастания требований к охране окружающей среды необходимо расширение применения интегрированных ресурсосберегающих технологий Ковалев, Касаева, Семенова и др 1989 . Сейчас стало очевидным, что роль селекции в решении этих вопросов будет все больше возрастать.
Сорт является наиболее надежным и экономически выгодным фактором повышения уровня урожайности и ее стабильности.
Связь фотосинтеза с продуктивностью
Поэтому продуктивность фитоценозов, в т.ч. Причем эти закономерности целесообразно учитывать не только количестве... В некоторых случаях целью выращивания растения является получение не о... Вклад отдельных органов рассчитывали составлением пропорции, принимая ... Эндогенная внутриорганизменная регуляция ДАО была наглядно проиллюстри...
Методы и достижения селекции на продуктивность
Уже в 1980 г. 4. Подтвержден относительно независимый характер проявления и наследуемос... С их помощью в США, Великобритании, Франции, Италии и ряде других стра... Получены также формы ячменя и пшеницы ИФР, MCXA, ВНИИСБ , люцерны и кл...
Методы моделирования в селекции на продуктивность
Методы моделирования в селекции на продуктивность. В зарубежных странах с развитым сельским хозяйством моделирование нахо... Комплексные динамические модели используются пока преимущественно для ... Для решения практических задач разрабатываются прикладные динамические... Методы планирования и организации фундаментальных и прикладных исследо...
Заключение
Заключение Селекция и интенсификация технологий в ряде экономически развитых стран определили современный высокий уровень урожайности зерновых 44-63 ц га и других культур.
Есть основание считать, что дальнейшее нарастание производства сельскохозяйственной продукции в мире будет осуществляться на основе тех же факторов, прежде всего, за счет повышения уровня интенсификации земледелия в развивающихся странах.
Но поскольку интенсификация земледелия на определенном этапе сопряжена с экономическими и экологическими издержками, важнейшее значение приобретают биологические и биофизические исследования, направленные на селекционное улучшение растений, стабильность производства сельскохозяйственной продукции и повышение ее качества.
Роль селекции в повышении фотосинтетической продуктивности растений современных сортов проявилась, главным образом, в изменении морфогенеза, т.е. генетическом улучшении структуры растений.
Для значительного увеличения зерновой продуктивности новых сортов без изменения продолжительности вегетационного периода требуется повышение активности фотосинтетического аппарата на основе генетической перестройки его структуры и функций, детального изучения всех глубинных сторон процесса фотосинтеза, начиная с его первичных реакций. Рост продуктивности новых сортов кормовых культур, у которых общая надземная биомасса является хозяйственной частью урожая, также находится в прямой зависимости от активности фотосинтеза. Но при современном уровне знаний физиологии и генетики фотосинтеза и дыхания задача повышения активности фотосинтетического аппарата селекционными методами пока еще не имеет четкого решения.
Наряду с фотосинтезом, рост является важнейшей функцией продукционного процесса растений. Образовавшиеся в процессе фотосинтеза пластические вещества, а также синтезируемые при его участии стимуляторы и ингибиторы обеспечивают реализацию генетической программы роста и развития. Кардинальным путем повышения урожайности сельскохозяйственных культур и ее стабильности, по мнению ряда исследователей, является создание генетически модифицированных растений ГМР . Сдерживающими причинами широкомасштабного перевода растениеводства на этот путь развития являются высокая стоимость работ по созданию ГМР и биобезопасность.
Последнее обстоятельство вызывает обеспокоенность людей в различных странах мира и их протест против производства продуктов питания из ГМР. Теоретически не исключается, что в результате взаимодействия чужеродных и собственных генов генетически модифицируемого организма, а также воздействия мутагенных факторов среды могут возникать наследственные изменения, приводящие к образованию опасных для здоровья людей и окружающей среды, токсичных белков и других органических соединений.
Следует отметить, что эти вопросы находятся под контролем специальных комиссий по биобезопасности, созданных во многих странах занимающихся генно-инженерными работами, в т.ч. и в России.
Другой путь управления продукционным процессом растений в целях повышения их устойчивости к стрессам и продуктивности - применение природных и синтетических фиторегуляторов путем обработки этими препаратами семян и посевов сельскохозяйственных культур. Недостатком этого способа является наличие генетической и экологической безопасности, особенно при использовании химических аналогов фитогормонов.
В связи с вышеизложенным поиск новых приемов управления продукционным процессом растений является актуальным Балашова и др 2001 . Важнейшим резервом роста урожайности и его стабильности является наиболее полная реализация потенциальной продуктивности возделываемых сортов, эффективное использование почвенно-климатических, материальных и других ресурсов на основе оптимизации агроэкологического районирования сельскохозяйственных культур, конструирования продуктивных и устойчивых агроэкосистем.
Для принятия необходимых мер, обеспечивающих формирование высокопродуктивных растений, требуется диагноз биологической ситуации в посеве. Этой цели служит биологический контроль. Мировой опыт свидетельствует о необходимости перехода к так называемой биологизации технологий, предусматривающей максимальное согласование их с биологическими требованиями культуры, к стратегии интегрированного использования генетических, природных и техногенных факторов.
В интегрированной системе выращивания сельскохозяйственных культур все больше будет возрастать роль сорта, так как он является наиболее надежным и экономически выгодным фактором повышения урожайности и ее стабильности. Эффективность селекционной работы тесно связана с организацией семеноводства, быстрого размножения новых сортов и получения высококачественных семян. Влияние почвенно-климатических условий на формирование урожайных свойств семян вызывает необходимость экологического подхода при организации семеноводства, т. е. концентрации его в наиболее благоприятных зонах для производства высокоурожайных семян.
В перспективе в мире рост производства продуктов питания и другой сельскохозяйственной продукции будет определяться прежде всего, уровнем разработки и применения двух видов наукоемких технологий биотехнологии и информационных технологий. Последние включают в себя компьютерные технологии, передачу в организм генетической информации связь с биотехнологией и адресной информации в виде химических и физических сигналов определенной структуры и свойства. Использование низкоэнергетических факторов физиологически активные вещества в низких концентрациях, слабые физические излучения - например, сигналы специальной формы, ССФ открывает широкие возможности для управления живыми системами и организмами. Это особенно важно для повышения адаптации растений к неблагоприятным условиям выращивания, эффективного использования генетических, почвенно-климатических ресурсов, техногенных факторов и охраны окружающей среды.
Библиографический список
Физиология и биохимия культурных растений. 2. Кершанская О.И Беденко В.П Уразалиев Р.А. Наука, 1983. 21.