ПУТЕШЕСТВИЕ В ВАРШАВУ ЗА НОВОЙ МЕТОДИКОЙ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРЕССА РАСТЕНИЙ.
Профессор Калаи – один из крупней­ших исследователей флуориметрии и флу­оресценции хлорофилла в Европе, поэтому практически все серьезные компании, про­изводящие аппаратуру для моментальных листовых измерений, являются его партне­рами и по всем вопросам приобретения обо­рудования и консультаций направляют к нему. (Опубликовано в № 03.2010 г.)
Что ж, в Варшаву, так в Варшаву. Проснувшись с помощью кофе, я при­ступил к расспросам.

Как это случилось, – ты, мусульманин, работаешь в Евросоюзе, в Польше, занима­ешься наукой? С чего началось?

– Я родился и учился в Алеппо, араб­ское название – Халеп, это на севере Сирии. Город считается самым старым в мире. Как обычно, я занялся биологией без особого энтузиазма и, как всегда случается, в жизни молодого ученого встретился человек, спо­собный увлечь и зажечь идеей… Ну, а затем была возможность отправиться на стажи­ровку в одну из европейских социалисти­ческих стран. Так я попал в Польшу и, по итогам стажировки, получил предложение остаться и заниматься научной и препода­вательской работой.

И сразу занялся флуориметрией?

– Флуориметрия сама по себе – лишь инструмент. Урожайность – вот что глав­ное. Я был увлечен темой урожайности рас­тений: откуда она происходит? Это не толь­ко трактор, не только спрос, не только удо­брения. Это еще и внутренние процессы в растении. Есть некоторые параметры, фак­торы, которые обусловливают решение: какой должна быть урожайность растения. Я писал докторскую на тему влияния засо­ленности на урожайность, это актуально для Сирии. Ведь земледелие зародилось именно там.

Только это было совсем другое зем­леделие.

– Верно. Первобытное земледелие было устроено так, что люди выращивали куль­туры, а, когда земля истощалась, кочевали в другие места. Да, да, почву можно уничто­жить, неправильными технологиями, моно­культурой… Поэтому урожайность – важ­нейшая для земледельца категория. Если я сегодня рекомендую что-то фермеру, он не спрашивает, какие у меня приборы и на что они способны. Он спрашивает: какие у вас при таких методах урожаи?

В Украине все чаще преобладает кри­терий – не какой у тебя урожай, а сколько ты потратил на то, чтобы его вырастить.

– Да, это формула input-output, извест­ная во всем мире. Это маркетинг, эконо­мические законы. Но в течение длитель­ного периода люди располагали бесплат­ной землей, какими-то семенами, и эти кате­гории были неактуальны. Затем я зани­мался локальными культурами, в частно­сти, древними ячменями, которые выра­щивались 7 тысяч лет назад в Ассирии и Месопотамии, и я пытался понять меха­низмы их невероятной сопротивляемости. Эти механизмы недостаточно изучены… Для этого растение исследуется на моле­кулярном уровне, тканевом, клеточном, на уровне органов, целого растения и целой экосистемы.

ЗЕРНО ИЗ СОЛНЕЧНОГО СВЕТА

Но – как ты пришел к теме флуорес­ценции хлорофилла?

– Моя заинтересованность была скон­центрирована на газовом обмене растений и интенсивности фотосинтеза, процессах, которые отвечают за продуктивность.

Именно эти процессы – важнейшие для урожайности?

– Нет. Среди учителей, моих учителей и тех, кто учил моих учителей, есть профес­сор А. Нечипорович, который еще в 60-х годах разработал ряд чрезвычайно револю­ционных теорий. В урожайности играет роль не только интенсивность фотосинтеза, но и размер ассимиляционного аппарата, раз­мер листьев и зеленых органов растения (это может быть и колос, и стебель, и лист). Вот это и есть один из основных параме­тров, размер фотосинтезирующего аппара­та. Третий параметр – время, – как долго работает этот лист! Месяц – и высохнет? Два месяца? Три месяца? Чем дольше пери­од вегетации, тем больший урожай имеем. И четвертый – это Harvest index (индекс урожайности), то, что в Польше называем коэффициент урожайности. Сколько от всей биомассы (корень, стебель, лист, колос) составляет именно экономическая часть, та, которая составляет цель выращивания растения.

То есть, какую часть от всего выра­щенного составляет сельхозпродукция…

– Да. Экономический урожай для дере­ва – это яблоко, а прочее нас не интересу­ет. Для зерновых – это колос, для припра­вы – может быть все растение целиком, с корнем и листьями. Для корнеплодов, кар­тофеля, свеклы – только подземная часть, только корень. Иными словами, нас инте­ресует отношение урожая экономического к урожаю биологическому, и нас интересу­ет, чтобы экономический урожай был как можно более значительным. Меня не инте­ресует пшеница, которая бы имела два метра роста, триста граммов массу растения и пяти­граммовый колос. Мне нужен колос в десять граммов, а остальное меня не интересует.

Над Нечипоровичем в 60-е годы смея­лись, но к этим четырем параметрам с тех пор никто не добавил ни одного. Все иссле­дования проходят в рамках этих пунктов. Кроме того, люди после «зеленой револю­ции» Бурлауга в 60-х годах начали обра­щать внимание на архитектуру биоценоза, группы. Бурлауг всего-навсего сократил рас­стояние между узлами растения. Это резко повысило урожайность. Норман Бурлауг -единственный нобелевский лауреат среди селекционеров, агрономов… Мы такой награ­ды не получим.

ЧЕМ БОЛЬШЕ ЛИСТЬЕВ, ТЕМ БОЛЬШЕ УРОЖАЙ?

Итак, все обратили внимание на архи­тектуру группы. Мы начали исследовать размер ассимиляционного аппарата при помощи коэффициента площади листьев группы. Сколько листьев на гектаре? Мы приступили к исследованиям, которые долж­ны были дополнить данные, полученные в исследованиях газообмена растений и интен­сивности фотосинтеза. Газообмен растений также важен, поскольку дает сведения по четырем параметрам, – интенсивность фото­синтеза, мембранная проводимость, интен­сивность транспирации и межклеточное дви­жение двуокиси углерода. Для земледель­цев самой важной является характеристи­ка интенсивности фотосинтеза, но она тесно связана с другими параметрами. На осно­вании этих параметров можно исчислить коэффициент использования влаги. В итоге мы понимаем, сколько воды тратит расте­ние на ассимиляцию единицы двуокиси угле­рода. А это – расходы растения, его утраты.

Мы теперь заняты поиском решений, поис­ком растения, которое было бы экономным, потребляло как можно меньше воды и усва­ивало как можно больше углерода. Главной проблемой мирового земледелия является вода. Мы исследуем разные растения, сотруд­ничаем со всеми селекционными станция­ми, изучаем альтернативные растения -мискантус, тапинамбур…

БЕРЕГИТЕ ФЛАГ. ТОЧНЕЕ, ФЛАГОВЫЙ ЛИСТ

Это несколько сложно для практиче­ского применения… Как все-таки фермер, агропромышленник может воспользоваться такого рода знаниями?

– Главное, о чем мы говорим, – это о том, из чего возникает урожай. Он возникает из фотосинтеза, из ассимиляции растениями углерода. Это важно практику. Мой учи­тель, профессор Нальборчик, еще в те вре­мена, когда технология не была так разви­та, методом изотопов провел интересней­шие опыты. Он предположил, что в процес­се фотосинтеза принимают участие не толь­ко листья, но и стебель, колос, другие орга­ны растения, и доказал это. Сто миллили­тров двуокиси углерода метили изотопами и могли наблюдать, куда он распределяет­ся в растении. Оказалось, что существует четыре модели усвоения! Оказалось, важ­нейшую роль играет флаговый и подфлаговый лист. Они отвечают за процесс фото­синтеза и ассимиляции и направляют «строй­материал» зернам или другому производ­ственному подразделению растения. Но ока­залось, что, например, у овса – сама метел­ка является главным инструментом фото­синтеза! Она наполняет зерна, а не листья! Если посмотреть на пшенорожь, то увидим, что более 50% продукции обеспечивает фла­говый и подфлаговый лист. То, что получа­ют зерна, фотоассимиляты, поставляется только двумя листьями, другие не имеют значения.

 

Да, пожалуй, это важно для фермера: понимать, какие части растения отвечают за урожай.

– Фермер должен знать, что есть две раз­ных шкалы – временная и количественная. На молекулярном уровне все начинается, затем идет на клеточный, в органы расте­ния и в конце концов – растение как систе­ма. Весь этот процесс проходит в двух шка­лах – временной и количественной.

Урожай связан с массой потребляемых веществ органами растения (преобразую­щих их в предмет урожая). Это потенци­альная возможность воспроизводства всей биомассы. Любые растения идут по этому пути.

Калаи: Арабы не пользуются арабскими цифрами. Они применяют индийские. Знаешь почему? Первый закон экономики: если ты хочешь что-то у меня получить или чему-нибудь научиться, ты должен выучить мой язык. Не я – твой, а ты – мой. Потому в Европе применяют арабские цифры, а в Сирии – индийские

Итак… Четыре параметра, определяю­щие урожайность: интенсивность фотосин­теза, продолжительность периода вегета­ции, динамика усвоения, продуктивность, однако есть и многие другие влияющие фак­торы. Состав химический, механический и текстура почвы, коллоиды, вода, свет, кис­лород – все это нам известно. Может вли­ять срок посева, сорт, количество высева, климатические условия. Но – как влияет в процентах каждый из факторов на урожай­ность? Смотри, в случае сахарной свеклы увеличение подкормки и полив дают 100­150% роста продуктивности растений. А дру­гие аспекты технологии, например ширина междурядья, влияют только на 10-15%, то есть, не имеют решающего значения для этого растения.

Но я тут, глядя с позиции моего чита­теля, сразу вижу, что полив и удобрения могут стоить сумасшедших денег, а изме­нение ширины междурядья почти ничего не стоит. Может, лучше получить 15% бесплат­но, чем 100% за немалые деньги?

– Совершенно верно! – удивился моему практицизму Калаи. Но не оставил своей глубоко научной погруженности. – Итак, мы имеем биологический и экономический урожай. Мы видим, что большое значение в экономике имеет площадь фотосинтезириующих органов, как много у нас листьев; продолжительность жизни этих листьев и интенсивность фотосинтеза. Часть этой фотосинтетической деятельности идет на экономический урожай, на то, что мы выра­щиваем, и часть – на неиспользуемый био­логический урожай, который тоже можно частично применить, солому, например… Часть фотосинтетической продукции идет на испарения, как потери. И, конечно, вли­яют болезни и вредители.

По этой формуле растений на квадрат­ном метре должно быть как можно больше, чтобы площадь фотосинтетического аппа­рата группы была больше. Однако, чтобы не было загустения и конкуренции, селек­ционеры борются за тип растений с эректальным, направленным вверх под углом к стеблю листом, а не с горизонтальным. Ведь тогда растения будут перекрывать друг друга и блокировать фотосинтез в соседних рас­тениях. При такой архитектуре растения солнечный свет проникает до нижних слоев растительной группировки. В другом слу­чае, при горизонтальных листьях, у вас не работает нижняя часть растений, а ведь это -ваша фабрика, ваше производство. Жалко.

В ПОИСКАХ РАСТЕНИЯ-МЕЧТЫ

Давай рассмотрим эту таблицу, она состоит из теоретических примеров, но доказанных практически. Что самое важное для нашего экономического урожая? Например, наша ассимиляционная площадь – 25000 единиц. Коэффициент интенсивности фото­синтеза – 0,45, harvest index 0,35, количе­ство дней вегетации – 80, и получаем в итоге урожай экономический 35,3 при биологи­ческом урожае 100,8. Теперь оставим все, как есть, удвоим только интенсивность фото­синтеза. То есть, если я найду растение, кото­рое имеет такую же площадь ассимиляци­онного аппарата и такую же продолжитель­ность его работы, но обладает удвоенной интенсивностью фотосинтеза, – что полу­чится? Урожай удвоится! Это доказано. А вот если мы оставим интенсивность фотосинте­за прежней, а лишь удвоим площадь листьев и всего фотосинтетического аппарата? -Урожай не удвоится! Хотя возрастет на 30-40%. Этими параметрами можно мани­пулировать. А вот последняя строка – мы ее называем мечтой. Почему мечтой? Если найти растение, которое имеет удвоенную интенсивность фотосинтеза, площадь листьев больше (до 40000), коэффициент фотосинтеза 0,55, а не 0,45, harvest index 0,50, а не 0,35, и продолжительность веге­тации 100 дней, а не 80, – то экономический урожай составит 246,4, то есть, будет в 8 раз больше! Но мы видим, что самое важное во всех перечисленных параметрах – фотосин­тез, только он способен удвоить урожай. Интенсивность фотосинтеза! Ничего нет важнее! Нужно найти растение с максималь­ной интенсивностью фотосинтеза, скрестить с растением, имеющим большую площадь листьев и зеленой части, и мечта реализо­вана!

– Речь идет о генетической модифика­ции.

– Не обязательно. Методами классиче­ской селекции тоже можно этого добиться. Вернемся к нашим схемам активности раз­ных органов растения в фотосинтезе. Пшеница, как видим, представляет листо­вую модель, а фермер ведь не знает, откуда берется урожай! Это крайне важно. В послед­них фазах нужно обращать внимание на фла­говый и подфлаговый лист, они – главные инструменты создания урожая. В случае ячменя колос сам является фотосинтези-рующим органом, сам создает урожай!

На фото профессор Нальборчик исследует флуорисценцию хлорофилла среди пингвинов Антарктиды

Но – как фермер может это регулиро­вать?

– Важнее для него – понимать, отку­да он получает этот урожай. А уж поняв, он может применять разного рода сред­ства, стимуляторы роста, эффективные микроорганизмы. Это не гормоны, это нату­ральные стимуляторы роста. Это отдель­ная тема. Важна также форма препарата. Сегодня существуют приспособления, измельчающие кальциевые препараты, известь, например, в пыль, поскольку для растения крайне важна форма вещества. Не о составе идет речь, а о форме, в кото­рой растение способно усваивать веще­ство. В случае извести, оказывается, это пылевая структура. Сегодня на рынке встречаются препараты на эффективных бактериях… Это уникальные разработки. Мир бактерий можно поделить на две груп­пы, позитивные и негативные. Так вот, эти препараты включают древнейшие пози­тивные бактерии, более 80 видов, суще­ствующие на Земле 15 миллионов лет. Они способны на многое: уничтожают пато­генные грибы, устраняют запахи, повы­шают урожай. Это разработка японского профессора Тахи…

ВЕРНЕМСЯ К СВЕТУ

Вернемся к свету. К фотосинтезу, соз­дающему наш урожай.

– Да. Мы искали механизмы сопротив­ления фотосинтетического аппарата, или, по-другому, мы называли это фабрикой саха­ра. Как на нее воздействуют различные фак­торы среды? Я занимался, прежде всего, абиотическими стрессами. Стрессы делят­ся на две группы: биотические и абиотиче­ские. Абиотические – это влияние факто­ров неживой природы, слишком низкая или слишком высокая температура, недостаток освещенности, влаги, засоленность, тяже­лые металлы и так далее. Биотические – это влияние живых организмов или продуктов их жизнедеятельности – влияние насеко­мых, возбудителей болезней, сорняков, дру­гих растений и т.д. У меня был очень хоро­ший генетический материал сирийских древ­них растений. Изыскания я проводил в исследовательских институтах в Берне и Женеве, там и встретил способ исследова­ния, дающий мгновенные результаты, не травмирующий растения, очень быстрый, очень точный и очень дешевый. Эта техни­ка называется – флуоресценция хлорофил­ла. В Польше мало кто этим занимался, био­физиологи были далеко от этой темы… Занимались этим только биофизики. Но я начал применять эту технику на селекци­онной станции картофеля. Дополнительно мы нашли очень интересную тему: для кар­тофеля очень важен момент начала процес­са туберизации, когда клубень начинает фор­мироваться в почве. Ранее селекционеры были вынуждены вырывать растения, чтобы определить, начался ли этот процесс. Мы установили, изучая листья, по параметрам флуоресценции хлорофилла начало этого процесса. Когда появляется акцептор (клу­бень), а растение становится донором, интенсивность фотосинтеза резко возрас­тает. И это легко определить, не травми­руя растение. Затем мы обнаружили, что, измеряя флуоресценцию хлорофилла дру­гих растений, можно получить огромное количество важной информации, которую не получишь никаким другим способом в такие сроки и с таким качеством. Главное, на что способна эта методика, – не опре­делить стресс, когда он уже очевиден, когда растение уже имеет явные признаки про­блем, а – предсказать стресс! Предвидеть его! И, предвидев, упредить! Вот на что способна флуориметрия. Кстати, она успеш­но применяется и в исследованиях здоро­вья лесов, и для определения качества вод – по флуресценции хлорофилла водо­рослей. Это технология НАСА, которая применяется для предупреждения агрес­сии путем применения биологического ору­жия. Спутник наблюдает за флуоресцен­цией хлорофилла зеленых массивов и план­ктона и реагирует на изменения, подает сигнал государственной тревоги. Планктон, в случае отравления, реагирует в считан­ные секунды!

Портативная аппаратура позволяет определить максимальную отдачу фото­ассимиляционного аппарата, будь то листва, семена, стебли, даже яблоко. Как для человека нормальным является пульс 80 ударов, так для всех растений нормаль­ным является показатель фотосистемы 0,83. Если этот показатель иной, значит, присутствует или надвигается какого-либо рода стресс. Так можно определить избы­ток или недостаток азота, фосфора, пота­ша или других составляющих. Так опре­деляются факторы, связанные с измене­ниями климата: озон, повышение темпе­ратуры, засуха. Эта технология даже потес­нила такие методики исследований и ана­лиза, как измерение газообмена растений и интенсивности фотосинтеза. Для изме­рений газообмена применяется дорогая и крупногабаритная аппаратура, она может стоить до 100000 евро, а профессиональ­ный флуориметр может стоить 2000 евро. Анализатором газов и интенсивности фото­синтеза квалифицированный професси­онал, умеющий делать анализы быстро, в день едва способен провести 40-50 изме­рений. А флуориметром может пользо­ваться фермер, или его десятилетний сын. Он возьмет этот прибор и пойдет утром в поле, а вечером будет иметь три тысячи измерений!

О чем еще может сообщить флуориметр? Если разделить показатель интенсивности фотосинтеза на показатель транспирации, то получим важнейший показатель WUA (Water use afficiency), показатель исполь­зования воды растением в процессе фото­синтеза. Иными словами, каким способом и с каким качеством данный сорт или гибрид способен использовать воду? Это напря­мую связано с вложениями в урожай и дохо­дами от него.

НАУКА, ПРАКТИКА И КОММЕРЦИЯ

– Итак, мы получили метод быстрого не травмирующего растение исследования, – подвел итоги Калаи. – Интересна коммер­ческая часть вопроса. Фирмы продают флу-ориметры желающим, ученым, фермерам, однако есть уже во Франции компании, кото­рые дают в аренду аппарат. Я интересовал­ся, как выглядит сотрудничество с ними. Оказывается, они требуют арендную плату в размере 5000 евро в год (при том, что флуо­риметр стоит 2-3 тыс.). К тому же, когда обращаются к ним за консультацией, они требуют прислать результаты измерений, по которым они делают свои выводы – за отдельную плату каждый раз!

Однако это не исключает реальности: флуориметр сегодня доступен каждому. Обучение измерениям занимает 10 минут, а вот трактовать их – нужно побольше вре­мени, около недели. И затем в течение секун­ды можно получить информацию о вашем растении и прочесть ее.

Вероятно, в нашей беседе содержалось немало известных читателю сведений, известных со студенческой скамьи.

Калаи: Компьютер был изобретен арабами, только они об этом не знали. Они изобрели ткацкий станок, который был устроен по двоичной системе. Отверстие – нет отверстия, потом – нет отверстия, нет отверстия, нет отверстия, – есть отверстие. Весь мир устроен по этому принципу – есть или нет. Третьего не существует

Однако, известно мне, что многие мои читатели протирали штаны о скамьи отнюдь не в аграрных вузах. Да и те, кто имеет спе­циальное образование, вряд ли готовы к тому, чтобы переосмысливать и применять в сегодняшних практических полевых усло­виях теории 60-х. Сами того не заметив, мы с профессором систематизировали группу взглядов ученых на технологию создания урожая растением, а практик, получив эту систематизированную информацию, спо­собен предпринимать определенные дей­ствия по защите и развитию именно тех орга­нов растения, которые отвечают за урожай, которые строят его.

Полагаю, не прошло незамеченным рас­суждение о том, что главная задача совре­менной методики – не фиксировать стресс, способный привести к потерям или гибели урожая, а – предупредить о нем заранее.

Могу также известить читателей о том, что мы договорились о приезде профессо­ра Калаи в Киев весной с целью познако­миться с украинскими учеными и агрофир­мами. Так что некоторые из вас смогут задать вопросы профессору лично.

Юрий Гончаренко,

главный редактор журнала “Зерно”