Как защищаются растения:

Засуха — причина более 40% потерь урожая в глобальном масштабе.

Полевые культуры — хоть и не кактусы, но тоже выработали сложные механизмы адаптации для выживания в условиях дефицита воды. Они бывают морфологическими, то есть связанными с изменениями в строении растения, а бывают и менее очевидными — это физиологические, биохимические и молекулярно-генетические способы адаптации. Зная эти механизмы, можно сориентироваться в многообразии сортов сельскохозяйственных культур и выбрать нужные — с повышенной засухоустойчивостью. Кроме того, в случае засухи можно им кое-чем помочь, даже не имея системы орошения (хотя и о ней уже многим стоит задуматься).

Итак, что же творится «в душе» у растения, когда оно испытывает сильную жажду?

Во время засухи водный потенциал почвы может снижаться до -1,5 МПа (точка увядания) и ниже, что нарушает процесс поступления воды в растение.

Если относительное содержание воды (ОСВ) в листьях ниже 70% (норма — 85-95%), начинают проявляться первые признаки водного стресса. При ОСВ ниже 50% у большинства полевых культур происходят необратимые повреждения фотосинтетического аппарата. Нет фотосинтеза — нет жизни.

«Первая линия защиты» растений от засухи — регуляция устьичной проводимости. Напомним, что устьице — это что-то вроде форточки для проветривания: две замыкающие клетки кожицы листа и щель между ними. При ощущении растением водного дефицита происходит быстрое закрытие устьиц, что снижает транспирацию, то есть испарение влаги сквозь живые ткани. Для этой «системы быстрого реагирования» есть специальные сигнальные молекулы, главная из них — абсцизовая кислота (АБК). Концентрация АБК в листьях может увеличиваться в 10-50 раз в течение нескольких часов после начала водного стресса.

Измерения, проведённые на различных сельскохозяйственных культурах, показывают, что устьичная проводимость может снижаться на 60-90% при умеренной засухе, что значительно уменьшает потери воды, но одновременно ограничивает ассимиляцию CO₂ и, следовательно, фотосинтетическую активность.

Растения — существа довольно терпеливые и по-своему мудрые: в первую очередь они постараются не попадать в стрессовые условия, а если попали — попробуют хоть как-то выбраться. Посмотрим?

Корневая система является первым органом, воспринимающим водный дефицит почвы. В ответ на засуху происходят примечательные изменения в архитектуре корней:

Про регулирование транспирации мы уже немного рассказали выше, но простым «захлопыванием форточек» дело не ограничивается. Поскольку контроль потери воды через транспирацию является ключевым механизмом избегания засухи, то помимо устьичной регуляции, растения используют и другие способы.

Ещё при водном стрессе листья многих злаков сворачиваются в трубочку («лодочку»), уменьшая эффективную площадь транспирации на 30-60%. Этот процесс контролируется специализированными двигательными (моторными) клетками, расположенными вдоль верхней стороны листовой пластины.

Конечно же, важно опушение листьев: плотность волосков (по-научному, трихом) может увеличиваться на 40-100% в условиях засухи, создавая микроклимат, снижающий интенсивность испарения с поверхности листа.

При развитии критических условий водного стресса растения могут избавиться от лишней испаряющей поверхности, в частности, от листьев или каких-либо репродуктивных органов, чтобы экономить ресурсы.

Фенологические механизмы адаптации привязаны к стадиям развития растений, легко заметным внешне и, как правило, привязанным к сезону. Например, раннее цветение и созревание: многие засухоустойчивые сорта демонстрируют способность к «уходу» от засухи за счёт ускоренного развития. Раннеспелые сорта пшеницы могут завершать жизненный цикл на 15-25 дней раньше, чем среднеспелые и позднеспелые сорта. А у засухоустойчивых генотипов кукурузы период от всходов до цветения может сокращаться на 5-12 дней при водном дефиците, тогда как у чувствительных сортов такая пластичность выражена слабее.

Все эти способы выживания при засухе можно увидеть даже невооружённым глазом. А есть ещё и скрытая от глаз борьба за выживание — физиологические механизмы засухоустойчивости.

Осмотическая регуляция, или осморегуляция, — это процесс активного накопления растворимых веществ в клетках, который позволяет поддерживать внутриклеточное давление жидкости (тургор) даже при снижении нагнетающе-сосущей силы в системе «почва-растение-воздух», то есть водного потенциала среды.

Водный стресс вызывает образование активных форм кислорода (АФК), которые могут повреждать клеточные структуры. Для их нейтрализации растения используют ферментативные и неферментативные антиоксидантные системы, в том числе соединения, известные как «витамины»: аскорбиновая кислота, глутатион, токоферолы и каротиноиды. Их содержание значительно увеличивается в листьях растений, испытывающих засуху.

Очень чувствителен к дефициту влаги фотосинтез. В общих чертах воздействие засухи на важнейшие структуры зелёных клеток отчасти сравнимо с перегревом трансформатора, в том числе и по разрушительности. Чтобы этого не происходило, растение начинает упрощать структуру наиболее энергоёмких клеточных «агрегатов». Как мы ранее говорили, «первая линия защиты» растений от засухи — регуляция устьичной проводимости, которая, в свою очередь, также приводит к торможению процесса фотосинтеза за счёт снижения поглощения CO2. Следующая «линия защиты» — нарастить интенсивность фотодыхания на 30-60%, чтобы рассеивать избыточную энергию и защищать фотосинтетический аппарат от повреждений.

Как видите, растения неплохо подготовлены к сюрпризам погоды, но и мы, имея опыт, сумеем им помочь. А вот определить тонкую и не всегда очевидную грань между нормальным состоянием посевов и принятием оперативных решений в экстренных ситуациях помогут технологии точного земледелия. Посредством спутникового мониторинга и функции осмотра полей в ExactFarming можно адресно и с высокой точностью определить потенциально проблемные участки на поле, а с помощью мобильного приложения найти их. Так вы сможете на ранней стадии обнаружить проблемы и принять меры.