Анализ состояния физиологии растений в мире

Home » Рефераты на русском » Анализ состояния физиологии растений в мире
Рефераты на русском Комментариев нет

Анализ современного состояния и тенденций развития физиологии растений в мире. Ключевую позицию в физиологии растений как одной из отраслей биологической науки в настоящее время занимает экофизиология. На долю экофизиологии приходится более четверти всех публикаций [1]. Современные экофизиологические исследования охватывают, в частности, механизмы воздействия факторов стресса, процессы выживания и адаптации растений в экстремальных условиях, механизмы восприятия и передачи стрессового сигнала, процессы развития и функционирования общих и специализированных систем защиты растительного организма под влиянием естественных и техногенных факторов. Среди подобных факторов -аномальное увеличение содержания тяжелых металлов, озона (О3), углекислого газа (CO2), интенсивности ультрафиолетового (УФ-) излучения и др. Особое значение приобретают в этой связи анализ вклада конкретных растительных сообществ в накопление и эмиссию СО2 равно как и учет тех физиологических ответов и молекулярных механизмов, которые определяют жизнедеятельность растений в условиях глобального изменения климата. Большое внимание в наши дни сконцентрировано также на разработке универсальных принципов сохранения мирового генофонда растений и созданию на его основе передовых технологий консервации уникальных популяций, исчезающих видов и комплексных растительных сообществ.
Помимо вопросов экофизиологии, активно изучаются в настоящее время и механизмы функционирования основополагающих физиологических процессов, таких, как водный режим, дыхание, рост и развитие, фотосинтез и др. Данные исследования опираются на экспериментальные результаты поиска закономерностей водного, ионного и углеводного транспорта, а также связанного с ними выяснения биологической роли аквапоринов, специфических ионных каналов и белков-транспортеров олигосахаридов, мелких пептидов и т.д.
Также последовательно и конструктивно ведется определение гормональных и других сигнальных путей, выяснение отдельных компонентов сигнальных каскадов и опосредующих элементов цитоскелета, установление механизмов регуляции дифференциальной экспрессии ядерного и цитоплазматических геномов высших и низших растений. Вопросы функционирования изолированных клеток in vitro также занимают главенствующие позиции в современной физиологии растений. Примером может служить изучение процесса упорядочивания популяций изолированных клеток в периоды их образования и жизнедеятельности для практического использования в биокаталитических ферментерах и процессорах различных типов. Продолжаются исследования путей соматического эмбриогенеза и регенерации растений, биосинтеза, обмена и распада вторичных метаболитов, необходимых для прогресса в пищевой, медицинской, парфюмерной промышленности и нанотехнологий. По мере ускоренного развития инновационных технологий, в эпицентре мировой физиологии растений среди других оказались и проблемы регуляции метаболизма у одноклеточных фотосинтезирующих микроводорослей. Последняя декада отмечена особым интересом к физиологии трансгенных растений. Увеличивающийся список трансгенов, полученных в результате генно-инженерных модификаций и экспрессии векторных конструкций различной сложности в клетках растений-представителей многих семейств, используется для моделирования и изучения регуляторных каскадов для основных и сопутствующих физиологических процессов. Фундаментом таких научных исследований служит избирательное действие явлений сверхэкспрессии, недоэкспрессии или полного «выключения» индивидуальных генов и их ансамблей. Среди растущего числа работ, связанных с трансгенными растениями, особенно привлекают и обещают стать высоко рентабельными исследования по регуляции генома растений фрагментами чужеродных нуклеиновых кислот, в том числе короткими двуцепочечными фрагментами ДНК и микро-РНК, а также разработка физиологических основ создаЕ1ия безопасных, стабильных и продуктивных трансгенов.
Анализ текущего состояния российской школы физиологии растений обобщен в таблице I (см. приложение к статье; материалы для данной и последующих таблиц доступны в мировой сети на национальных сайтах по физиологии растений). Из таблицы ясно, что глубокие традиции, последовательность и преемственность теоретических знаний, разработанные подходы к решению практических задач, учет1 международного опыта и тенденций в профильной области дают возможность российским физиологам в новых, быстро-меняющихся рыночных или кризисных условиях сохранять былые позиции в фарватере мировой науки.
Примерно в тех же ключевых направлениях осуществляет свои исследования и болгарская школа физиологов на базе Института имени М. Попова. Так, активно продолжаются исследования роста и развития, основ минерального питания растений и водного режима, физиолого-биохимических основ и механизмов регуляции фотосинтеза, регуляции метаболизма растений и генетической экспрессии, разработка биохимического и биотехнологического применения водорослей Черноморского бассейна. Все эти направления одновременно скоординированы по отношению к приоритетам мировой физиологии растений, так как направлены на оптимизацию обеспечения населения продовольствием, продукцией фармацевтической и косметической промышленности, на оздоровление экологического состояния и обогащение биоресурсов.
В виде таблицы 2 отмечен ряд основных направлений физиологии растений Индии. Здесь физиологическая наука имеет, по всей видимости, гораздо более отчетливый прикладной «вектор», который получил свое воплощение на современном этапе на стыке с сельско-хозяйственными науками, и в частности, с растениеводством.
Усилия пакистанских физиологов направлены на изучение солеустойчивости пшеницы, риса и фуражных полевых культур [2-4],
Стремительно и многосторонне прогрессирует физиология растений в КНР [5-9]. Проекты в данной области финансируются с помощью двух дополняющих друг друга источников: Национального Фонда естествознания Киггая (National Natural Science Foundation of China) и Специального Национального Фонда Основных Фундаментальных Исследований КНР (National Key Basic Research Special Funds of China). Объединенный список институтов и университетов, выигрывающих гранты по физиологии растений, насчитывает более 40 научно-исследовательских организаций по всей стране. Р1з порядка 320 грантов по биологии растений 60 отобранных подлежат финансированию. Уровень грантов с высоким рейтингом среди специальных грантов для молодежи составляет 28,8%, тогда как доля фантов с высоким рейтингом без установления возрастного ценза ограничена порогом 8,3%. Общая доля грантов с высоким рейтингом в области физиологии растений достигает 20,3%,
В связи с преобладающим континентальным климатом на большей части территории Китая особое место здесь отводится изучению влияния абиотических стрессовых факторов на различные уровни организации растения. Многие физиолого-генетические исследования в этой густонаселенной стране касаются прежде всего риса как доминирующей культуры в пищевом рационе страны и в международном масштабе. В 2000 г, по инициативе профессора Ху Хонвея была создана китайско-немецкая парнерская группа по молекулярной физиологии риса на базе Шанхайского Института физиологии и экологии растений и Института молекулярной физиологии растений им. Макса Планка в ФРГ (www.plantsignal.cn). На рисунке 1 показана осуществляемая в наши дни стратегия разработки китайскими учеными высокопродуктивного риса нового поколения [5,9], устойчивого к водному дефициту, вредителям, пестицидам и передозировке удобрений. Сортоформы риса, полученные данным способом, могут выращиваться на малопригодных угодьях и применяться как модельные объекты комплексного воздействия стрессовых факторов. Схема предусматривает и возможности традиционной селекции на основе обширного генофонда риса, и получение промежуточных трансгенов посредством введения генов из других растительных объектов или модифицированных генных конструкций, состав которых определяется с помощью современных методов функциональной геномики. Предполагается, что новые формы риса будут отличаться беспрецедентно высоким качеством зерна, наилучшей продуктивностью,, устойчивостью к засухе и вредителям, а также способностью к эффективному усвоению питательных веществ. Наряду с этим, альтернативным путем увеличения общей продуктивности и биомассы риса остается увеличение скорости фотосинтеза в процессе фотозакаливания (photoacclimation) на фоне высокой солнечной радиации [10,11].
Одновременно проводятся интенсивные исследовательские работы в области физиологии пшеницы, кукурузы, сои, томата, арабидопсиса и друтих важнейших хозяйственно-ценных и модельных растений. Так, среди растений арабидопсиса идентифицирован специфический мутант-аль б рта ос, синтезирующий белок БМВ 1303, который отвечает за биогенез хлоропластов (Cell Research advance online publication 7 July 2009; doi: i0.1038/cr.2009.84).
Там же3 в Китае продолжаются интенсивные фитохимические поиски новых биоэнергоносителей. Так, на территории этой страны установлено наличие 1554 видов масличных культур. В семенах 154 видов из этого общего количества содержание масел превышает 40%. В качестве потенциальных источников для компонентов биотоплива указываются примерно 30 видов кустарников и древесных пород, треть которых аннотируется как ключевые ресурсы [12].
Американское общество физиологов растений, основанное в 1924 г., эффективно организует исследования, научные форумы, публикации, дискуссии, привлечение, обучение и трудоустройство молодых ученых. Основные тенденции развития современных мировых и американских исследований по физиологии растений под эгидой данного общества отражены в публикациях ежегодника «Annual Reviews of Plant Biology» (www.annuaIreviews.org/catalog/), особенно наглядно в последние годы. В фокусе этих исследований находятся: интегральная физиология и флоэмный транспорт макромолекул; физиологические и молекулярные основы ответа на высоко- и низкотемпературный стресс; факторы регуляции размеров и гидравлических свойств листьев; дыхание (анализ генов и белков-разобщителей); фотосинтез (структура и свойства фотосинтетического аппарата; светозависимая индукция биосинтеза водорода); гормональная регуляция и сенсибилизация растений питательными веществами, а также соответствующие сигнальные механизмы; ризофизиология (развитие архитектуры корня; влияние экссудантов на развитие растений); фиторемедиадия; световая адаптация растений; роль гормонов, Сахаров и флавоноидов на различных стадиях онтогенеза растений; физиология водорослей и мхов как высокоспецифичных моделей развития, метаболизма и объектов перспективных фитотехнологий. Успех в перечисленных направлениях исследований в немалой степени объясняется неуклонным ростом финансирования, выделяемого физиологам растений как со стороны правительства, так и рядом частных инвесторов [13]. Наиболее масштабные исследования проводятся при поддержке Национального Фонда Науки США (National Science Foundation, NSF) и Отдела биоэнергетических исследований Департамента энергетики США (Division of Energy Biosciences, Department of Energy, DOE). Среди активных частных инвесторов научных программ зарегистрированы McNight Foundation, Agrigenetics Corporate Limited Partnership и Rockefeller Foundation. Следует подчеркнуть, что последний из упомянутых фондов своевременно взял под свою опеку работы по физиологии риса. Аналогичные проекты стран Европы и Японии курируются соответственно Европейским Союзом и Японскими программами по приоритетным фундаментальным и прикладным исследованиям (Scientific Research on Priority Areas and Basic Research for Innovative Biosciences Programs). Исследования растений, растительных сообществ и экосистем как продуцентов биологического топлива составляют в наши дни большинство этих проектов. Вместе с установлением новых энергетических источников, создание адекватных моделей регулярной генерации энергоемкого биотоплива одновременно дает указанным странам возможность повышать продуктивность растений, эффективно использовать водные и минеральные ресурсы, а также совершенствовать менеджмент растениеводства в национальном, региональном и мировом масштабах [14].
Традиционный интерес представляют исследования, проводимые австралийской школой физиологов растений. Здесь физиологические процессы анализируются на многих уровнях (от целостного растения до клетки и молекул). Отмеченный интегральный подход сравнительно недавно обогатился возможностями дистанционного зондирования при помощи летательных аппаратов. Так, оптимизация азотного питания, как основного и традиционно используемого в Австралии для повышения урожайности пшеницы, позволила бы уменьшить дозы вносимых азотных удобрений и предотвратить вымывание и перенос избытка неусвоенного азота из почв, отводимых под посевы. Поэтому физиологические параметры растений, находящихся в условиях азотного стресса и водного дефицита, а именно: высота, спектральные характеристики, коэффициент вегетации при определенных температурах (VIT, Vegetation Index-Temperature), двумерный коэффициент водного дефицита (2D CWSI, Two Dimensional Crop Water Stress index), коэффициент азотного стресса (NS> Nitrogen Stress Index) и водный статус определяются методом зондирования (см, рисунки 2 и 3) [15].
В Австралии также исследуются механизмы ионного транспорта, накопления и транспорта питательных веществ, действие абиотических стрессов и вредителей, послеуборочные аспекты физиологии (post-harvest physiology) для зернобобовых культур.
Рассматривая крупные европейские программы, следует остановиться на многосторонних проектах, охватывающих десятки стран-участников из Европы, России, Украины и Прибалтики, Австралии, Алжира, Индии, Израиля и Японии, сотни научно-исследовательских центров и ВУЗов из этих стран. Эффективность подобных работ измеряется не только вкладом участников, но и, в существенной мере, высоким качеством администрирования проектов, оценки и внедрения полученных результатов. В частности, в рамках одного из таких многосторонних проектов [16] рассматриваются передовые фитотехнологии повышения пищевой безопасности и эффективности землепользования. Согласно проекту, в первую очередь изучаются вопросы физиологии (вклад корневой системы и надземной части растения, внутриклеточная локализация) и метаболизма (пути превращений и кинетика) питательных веществ, а также особенности накопления повреждающих загрязнителей окружающей среды, экспрессии генов-носителей и белков-регуляторов устойчивости к данным вредным примесям. Продолжается изучение генно-инженерного арсенала методов для получения и аккумуляции белков-детокеификаторов. На этом теоретическом и экспериментальном фоне разрабатывается серия фитотехнологии поэтапного разложения загрязнителей, включающая фитостабшгазациго, фитоэкстракцию, фитостимуляцию, фитодеградацию, фитотрансформацию и фитоиспарение. Распад и удаление вредных примесей должны, в свою очередь, совершенствовать пищевые качества надземной части изучаемых сельско-хозяйственных культур, а также повышать в них содержания железа, цинка и других микроэлементов.
Текущее состояние физиологии растений достаточно полно и всесторонне отражается в деятельности профильных научных обществ. Общий список данных обществ, их целей и основных изданий показаны в таблице 3.
Физиология растений Украины также имеет богатые традиции, глубокие теоретические корни и перспективы. В советский период физиологические работы в этой стране были неразрывно связаны с изучением важнейших параметров, таких, как продолжительность сроков вегетации, высота растения, продуктивность сельско-хозяйственных культур, содержание углеводов, аминокислот, белка и витаминов, устойчивость к болезням и местным климатическим условиям. Исследования по физиологии растений активно осуществляются в Институте физиологии растений и генетики, Институте молекулярной биологии и генетики. Институте клеточной биологии и генетической инженерии, в Центральном Ботаническом саду им. М.М. Гришка (г. Киев), в Институте Биологии южных морей (г. Севастополь), Институте эфиромасличных и лекарственных растений (г. Симферополь), в Никитским ботаническом саду Национального научного центра (г. Ялта), в Институте почвенной микробиологии (п. Гвардейское, Крым), а также на профильных кафедрах Киевского, Одесского, Таврического и Харьковского университетов. Главные усилия специалистов направлены, в частности, на изучение физиологических основ регуляции действия пестицидов с помощью азотного питания, влияния биологически активных веществ на рост и развитие растений в природных и лабораторных условиях на уровне организмов, клеток и молекулярных агентов. В этих рамках осуществляется масштабный анализ физиологических и биохимических процессов адаптации культурных и редких растений к стрессовым факторам внешней среды. Исследуются механизмы экзогенной индукции адаптации растений на уровне накопления и свойств компонентов пигментно-липидпого комплекса, активных про-окислительных и антиокислительных метаболитов. Изучается феномен иеспецифической устойчивости при мобилизации простых липидов, гликолипидов и виолоксантинового цикла как естественных защитных ресурсов растений.
Разрабатывается технология выращивания чеснока с повышенным содержанием аллиина и сульфидов. Определяются механизмы холодоустойчивости различных видов магнолий. Принимая участие в международных проектах по Антарктиде, украинские физиологи анализируют, в частности, адаптивность вида Deschampsia antarctica Desv. Ряд высших растений водоемов, в том числе и на реке Днепр, исследуются в аспекте гипер-аккумуляции вредных примесей. Параметры роста и продуктивности в данных анализах используются дополнительно как ключевые индикаторы экологического состояния биоэкоценозов. На основании некоторых из полученных результатов разрабатываются оригинальные методы повышения продуктивности и устойчивости растений с применением экзогенных регуляторов роста. Для повышения адаптации растений к водному дефициту и солевому стрессу установлены оптимальные режимы обработки данными регуляторами. Исследуются закономерности морфогенеза растений in vitro и способы их клонирования на основе культур органов, тканей и клеток in vitro, чтобы сохранить генофонд редких и исчезающих видов флоры в стране. Ряд исследований посвящен ценным вторичным метаболитам лекарственных растений и отбору клеток плюща, ломоноса, цикламена и фатсии, синтезирующих тритерпеновые гликозиды с широким спектром фармакологического действия. Параллельно для получения ценных медицинских препаратов разрабатываются теоретические положения и технологические регламенты. Получены формы винограда, толерантные к хлоридному засолению. Работы по физиологии растений в Центральной Азии развиваются не менее настойчиво и последовательно на базе ранее сложившихся национальных школ, крупных теоретических и практических достижений. В Таджикистане, в Институте физиологии растений и генетики исследованы генетические аспекты регуляции биогенеза и функционирования аппарата фотосинтеза. Наряду с другими компонентами продукционного процесса, продемонстрированы способы анализа фотосинтетических признаков для селекции высокопродуктивных форм сельскохозяйственных культур.

LEAVE A COMMENT

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.