Посуха: як від неї захищаються рослини та чим може допомогти агроном

Знаючи ці механізми, можна зорієнтуватися у різноманітті сортів сільськогосподарських культур і вибрати потрібні — з підвищеною стійкістю до посухи. Крім того, у разі посухи можна їм чимось допомогти, навіть не маючи системи зрошення (хоча і про неї вже багатьом варто замислитись).

Отже, що ж діється всередині рослини, коли вона відчуває сильну спрагу?

Водний баланс рослини та його порушення при посухах

Водний баланс рослини визначається співвідношенням між поглинанням води корінням та її втратою через транспірацію. За оптимальних умов підтримується водний потенціал тканин у діапазоні від -0,2 до -1,0 МПа. Може виникати питання, навіщо рослині негативні значення? Ну як же, а тягу в системі за рахунок чого забезпечувати? М'язової системи прокачування рідин, як у людей та тварин, рослини не мають, отже, і рух соків забезпечується за допомогою ось такого простого механізму. Саме з водою надходять поживні речовини.

Читати також: Українське землеробство під тиском зміни клімату: чому зміна технологій вирощування — не тренд, а умова виживання?

Під час посухи водний потенціал ґрунту може знижуватися до -1,5 МПа (точка в'янення) і нижче, що порушує процес надходження води до рослини.

Якщо відносний вміст води у листі нижче 70% (норма – 85-95%), починають виявлятися перші ознаки водного стресу. При відносному вмісті води нижче 50% у більшості польових культур відбуваються незворотні пошкодження фотосинтетичного апарату. Немає фотосинтезу — немає життя.

Первинні фізіологічні реакції на водний дефіцит

«Перша лінія захисту» рослин від посухи — регуляція продихової провідності. Адже продихи рослини — це щось на зразок кватирки для провітрювання: дві замикаючі клітини шкірки листа і щілина між ними. При відчутті рослиною водного дефіциту відбувається швидке закриття продихів, що знижує транспірацію, тобто випаровування вологи крізь живі тканини. Для цієї системи швидкого реагування є спеціальні сигнальні молекули, головна з них — абсцизова кислота (АБК). Концентрація АБК у листі може збільшуватись у 10-50 разів протягом кількох годин після початку водного стресу.

Вимірювання, проведені на різних сільськогосподарських культурах, показують, що продихова провідність може знижуватись на 60-90% при помірній посусі, що значно зменшує втрати води, але одночасно обмежує асиміляцію CO₂ і, отже, фотосинтетичну активність.

Стратегія уникнення посухи

Рослини — істоти досить терплячі та по-своєму мудрі: насамперед вони намагатимуться не потрапляти у стресові умови, а якщо потрапили — спробують хоч якось вибратися. Коренева система є першим органом, який сприймає водний дефіцит ґрунту. У відповідь на посуху відбуваються чудові зміни в архітектурі коріння:

•       Збільшення глибини проникнення: у посухостійких сортів пшениці коріння може досягати глибини 2-2,5 м (порівняно з 1-1,5 м у чутливих сортів). Дослідження показують, що кожні додаткові 30 см глибини кореневої системи забезпечують доступ до 10-15 мм ґрунтової вологи.
•       Зміна співвідношення мас корінь/пагін: при посусі співвідношення біомаси коренів до біомаси надземної частини може збільшуватися на 20-40%. Наприклад, у кукурудзи це співвідношення може змінюватися з 0,10-0,15 за оптимального зволоження до 0,25-0,40 за водного дефіциту.

Регулювання транспірації простим «закриттям кватирок» не обмежується. Оскільки контроль втрати води через транспірацію є ключовим механізмом уникнення посухи, то, крім продихової регуляції, рослини використовують інші способи.

Приклад: товщина воскового шару на листі може збільшуватися на 15-30% у відповідь посуху. Так, у сорго вміст воску може досягати 32-37 мг/дм у посухостійких сортів в порівнянні з 18-22 мг / дм у чутливих. Це явище можна спостерігати наочно: спробувати потерти лист, коли вже не перший день стоїть спека й суша. На ньому виявиться білуватий, масний на дотик наліт. Через нього в посуху посіви здаються сизими, неначе посивілими.

Ще при водному стресі листя багатьох злаків згортається в трубочку («човник»), зменшуючи ефективну площу транспірації на 30-60%. Цей процес контролюється спеціалізованими руховими (моторними) клітинами, розташованими вздовж верхньої сторони листової пластини.

Звичайно ж, важливим є опушення листя: щільність волосків (трихом) може збільшуватися на 40-100% в умовах посухи, створюючи мікроклімат, що знижує інтенсивність випаровування з поверхні листка.

При розвитку критичних умов водного стресу рослини можуть позбутися зайвої поверхні, що випаровує воду, зокрема, від листя або будь-яких репродуктивних органів, щоб економити ресурси.

Фенологічні та фізіологічні механізми адаптації

Фенологічні механізми адаптації прив'язані до стадій розвитку рослин, які легко помітні зовні і, як правило, прив'язані до сезону. Наприклад, раннє цвітіння і дозрівання: багато посухостійких сортів демонструють здатність до «відходу» від посухи за рахунок прискореного розвитку.

Ранньостиглі сорти пшениці можуть завершувати життєвий цикл на 15-25 днів раніше, ніж середньостиглі та пізньостиглі сорти. А у посухостійких генотипів кукурудзи період від сходів до цвітіння може скорочуватися на 5-12 днів за водного дефіциту, тоді як у чутливих сортів така пластичність виражена слабше.

Всі ці методи виживання при посусі можна побачити навіть неозброєним оком. А є ще й прихована від очей боротьба за виживання — фізіологічні механізми посухостійкості.

Осмотична регуляція, або осморегуляція, — це процес активного накопичення розчинних речовин в клітинах, який дозволяє підтримувати внутрішньоклітинний тиск рідини (тургор) навіть при зниженні нагнітаючо-сисної сили в системі «ґрунт-рослина-повітря», тобто водного потенціалу середовища.

Якщо для протидії морозу рідинній системі потрібний антифриз, то на випадок посухи рослини обзавелися спеціальними присадками осмолітами. Це низькомолекулярні органічні речовини, які розчиняються у внутрішньоклітинному середовищі і змінюють властивості біологічних рідин. Основними осмолітами, які накопичуються при посусі, є пролін, гліцин-бетаїн, сахароза та інші розчинні вуглеводи, а також цукрові спирти (манітол, сорбітол). При дефіциті вологи їх концентрація зростає у рази, а іноді і в десятки разів.

Читати також: Як отримати дружні сходи кукурудзи в умовах посухи: роль фотосинтезу та С4-рослин

Водний стрес викликає утворення активних форм кисню (АФК), які можуть ушкоджувати клітинні структури. Для їх нейтралізації рослини використовують ферментативні та неферментативні антиоксидантні системи, у тому числі сполуки, відомі як «вітаміни»: аскорбінова кислота, глутатіон, токофероли та каротиноїди. Їх вміст значно збільшується в листі рослин, що зазнають посухи.

Дуже чутливий до дефіциту вологи фотосинтез. Загалом вплив посухи на найважливіші структури зелених клітин частково можна порівняти з перегрівом трансформатора, зокрема і за руйнівною силою. Щоб цього не відбувалося, рослина починає спрощувати структуру найбільш енергоємних клітинних «агрегатів». Як вже згадувалось, «перша лінія захисту» рослин від посухи — регуляція продихової провідності, яка також призводить до гальмування процесу фотосинтезу за рахунок зниження поглинання CO₂. Наступна «лінія захисту» — наростити інтенсивність фотодихання на 30-60%, щоб розсіювати надмірну енергію та захищати фотосинтетичний апарат від пошкоджень.

Важливо пам'ятати про наявність принципової різниці у протіканні фотосинтезу у невеликої групи найбільш посухостійких культур та решти культур з польової різноманітності. Для рослин помірної кліматичної зони характерний так званий С₃-фотосинтез, а для «жителів» півдня — C₄-фотосинтез. В результаті еволюції процес удосконалився настільки, що рослини з C₄-фотосинтезом (кукурудза, сорго та деякі інші) мають серед інших переваг більш високу ефективність використання води (ЕВВ). У С₄ рослин вона становить 3-5 г біомаси/кг H₂O в порівнянні з 1-3 г/кг у C₃ рослин.

Показники посухостійкості основних зернових культур

Приклади посухостійкості деяких культур

Пшениця, як відомо, помірно посухостійка з вираженими сортовими відмінностями. Посухостійкі сорти пшениці відрізняються більш високою активністю осморегуляції та підвищеною акумуляцією проліну. А ще стабільністю клітинних мембран: вихід електролітів при посусі збільшується на 20-30% у стійких сортів порівняно з 50-70% у чутливих. І, звичайно, підвищеною ефективністю використання води: 1,8-2,2 г біомаси/кг H₂O порівняно з 1,2-1,6 г/кг у чутливих сортів.

Кукурудза має C₄-тип фотосинтезу, що означає в цілому більш ефективне використання води. Однак вона критично чутлива до посухи в період цвітіння: затримка появи маточкових ниток на 3-5 днів може знизити врожайність на 20-30%, а дефіцит вологи під час цвітіння знижує життєздатність пилку на 40-60%. Тому у посухостійких гібридів інтервал між появою чоловічих та жіночих суцвіть скорочено до 1-2 днів при посусі (порівняно з 5-8 днями у чутливих генотипів).

Сорго не даремно вважається однією з найбільш посухостійких зернових культур, тут ми бачимо комбінацію одразу кількох адаптивних механізмів. Насамперед це його унікальна здатність «впадати в сплячку» при посусі: сорго може призупиняти ріст при критичному водному дефіциті та відновлювати його після відновлення зволоження.

Читати також: Сорго — альтернатива кукурудзі в умовах степу

Також для сорго характерні наявність великої кількості воску, ефективна осморегуляція (нагромадження гліцин-бетаїну) та висока водоутримуюча здатність тканин. Втрата води протягом 48 годин після зрізання листя становить 20-30% порівняно з 50-70% пшениці.

Агротехнічні заходи підвищення посухостійкості рослин

Аграрій не може впливати на клімат та вищезазначені процеси, але може пристосуватися до сучасних викликів та природних умов. Зокрема, методом впливу на наслідки посухи для рослин є вибір обробітку ґрунту. Досвід багатьох підприємств показує, що ефективнішим методом у боротьбі з проблемою ґрунтової посухи є відмова від використання плуга та руйнування 100% площ з «плужною підошвою».

Карта ґрунтів

Інтерактивна карта ґрунтового покриву України

Найбільш поширені методи покращення посухостійкості рослин, окрім обробітку ґрунту, це:

•       зрошення (в тому числі й крапельне);
•       підбір посухостійких сортів та гібридів та корегування норм висіву;
•       зміщення строків посівів у більш ранні;
•       сівозміна, пари.

Застосування в комплексі всіх методів та прийомів, що сприяють зменшенню ґрунтової посухи, дають позитивні результати та динаміку розвитку.

Ефективність агротехнічних методів підвищення посухостійкості

Як бачимо, рослини непогано підготовлені до сюрпризів погоди, але й аграрії, маючи досвід, зможуть їм допомогти. А ось визначити тонку і не завжди очевидну межу між нормальним станом посівів та прийняттям оперативних рішень в екстрених ситуаціях допоможуть технології точного землеробства. За допомогою супутникового моніторингу та функції огляду полів можна адресно та з високою точністю визначити потенційно проблемні ділянки на полі, щоб вжити заходів на ранній стадії появи проблеми дефіциту вологи.

FAQ

Як рослини реагують на дефіцит вологи?

Первинна реакція рослин на посуху - швидке закриття продихів листя, це заважає волозі випаровуватися через живі тканини. Крім того, на листі може збільшуватися товщина воскового шару та щільність волосків. Є рослини, у яких при дефіциті вологи згортається листя.

Як розвиваються корені рослин в умовах посухи?

Корінь змінюється таким чином, щоб захистити рослину від згубного впливу посухи. Він може розростатися в глибину для отримання більшої кількості ґрунтової вологи, також можливе збільшення співвідношення біомаси коренів до біомаси надземної частини рослини.

Як впливає посуха на інтенсивність цвітіння та дозрівання?

Посухостійкі сільськогосподарські культури можуть швидше цвісти та дозрівати, щоб уберегтися від водного дефіциту. Це властиво, наприклад, пшениці ранньостиглих сортів та посухостійким генотипам кукурудзи.

Як фізіологія рослин допомагає боротися з посухою?

Впливу посухи протистоять низькомолекулярні органічні речовини (осмоліти). Боротися з активними формами кисню, що виникають при посусі, допомагають антиоксидантні системи. Також рослина спрощує клітинну структуру та збільшує інтенсивність фотодихання, захищаючи фотосинтетичний апарат.

Які агротехнічні прийоми підвищують посухостійкість рослин?

До процесів спеціального технічного захисту від посухи належать нульовий обробіток ґрунту, мульчування, глибоке розпушування, оптимізація строків сівби, обробка регуляторами росту.

Придбати Excel-файл із даними про врожайність в Україні за 2025 рік

Врожайність в Україні: дані аграріїв, Мінагро та USDA

Олена Басанець, SuperAgronom.com