Оптимізація фізіологічного стану рослин як основа екологічно безпечного агровиробництва

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.33730/2310-4678.2.2025.337154

Ключові слова:

фізіологічно оптимізовані рослини, екологічні ризики, агроценози, фотосинтез, білковий обмін, синтез ліпідів, симбіоз, вторинні метаболіти, імунітет рослин

Анотація

У роботі розглядається оптимізація фізіологічного стану рослин як механізм зниження екологічних ризиків в агроценозах. Запропоновано модель, що ґрунтується на поетапній оптимізації метаболічної активності агрофітоценозів і забезпечує зниження екологічних ризиків у них. Показано, що ефективна взаємодія між метаболічною активністю рослин, станом ґрунтової мікробіоти та абіотичними чинниками середовища формує основу для підвищення їхньої толерантності до стресових факторів. Доведено значення поетапної активації сигнальних і метаболічних каскадів у регуляції фізіологічного стану рослин за участі мінерального живлення, біостимуляторів та симбіотичних організмів. Підкреслено, що біосинтез біологічно активних фітосполук (вторинних метаболітів) виконує захисну функцію (антипатогенну, антистресову), а також слугує медіатором трофічних і регуляторних взаємодій у ризосфері. Доведено, що регуляція біосинтезу таких сполук має вирішальне значення для підтримання життєздатності рослин в умовах несприятливого середовища та мінімізації екологічних ризиків, пов’язаних із деградацією ґрунтів, поширенням фітопатогенів і зменшенням агробіорізноманіття. Запропонована модель оптимізації фізіологічного стану рослин, що є удосконаленням концепції “піраміди здоров’я рослин” J. Kempf, обумовлює підвищення енергетичної ефективності їхнього функціонування, сприяє зростанню врожайності та стійкості, а також активно стимулює відновлення ґрунту. Це робить фізіологічно оптимізовані рослини визначальним чинником регенеративного землеробства, дозволяючи впроваджувати екологічно безпечні агротехнології для формування сталих агроекосистем. Розкрито потенціал використання природних механізмів для створення таких агротехнологій шляхом інтеграції біотехнологічних і агроекологічних підходів, спрямованих на підвищення адаптивності та стійкості агроекосистем, забезпечення сталої продуктивності культур і зниження антропогенного навантаження на довкілля.

Посилання

  1. Clemensen, A. K., Provenza, F. D., Hendrickson, J. R., & Grusak M. A. (2020). Ecological implications of plant secondary metabolites: Phytochemical diversity can enhance agricultural sustainability. Frontiers in Sustainable Food Systems, 4, 547826. doi: 10.3389/fsufs.2020.547826
  2. Yang, H., & Luo, P. (2021). Сhanges in photosynthesis could provide important insight into the interaction between wheat and fungal pathogens. International Journal of Molecular Sciences, 22(16), 8865. doi: 10.3390/ijms22168865
  3. Kempf, J. (2020). Quality agriculture: Conversations about regenerative agronomy with innovative scientists and growers. Regenerative Agriculture Publishing. Retrieved from https://books.google.com.ua/books/about/Quality_Agriculture.html?id=DZ_qDwAAQBAJ
  4. Liu, Y., Xu, Z., Chen, L., Xun, W., Shu, X., Chen, Y., & Zhang, R. (2024). Root colonization by beneficial rhizobacteria. FEMS Microbiology Reviews, 48(1), fuad066. doi: 10.1093/femsre/fuad066
  5. Cárceles Rodríguez, B., Durán-Zuazo, V. H., Soriano Rodríguez, M., García-Tejero, I. F., Gálvez Ruiz, B., & Cuadros Tavira, S. (2022). Conservation agriculture as a sustainable system for soil health: A review. Soil Systems, 6(4), 87. doi: 10.3390/soilsystems6040087
  6. Husson O., Sarthou J. P., Bousset L., Ratnadass A., Schmidt H. P., Kempf J., & Lamichhane J. R. (2021). Soil and plant health in relation to dynamic sustainment of Eh and pH homeostasis: A review. Plant and Soil, 466(1), 391–447. doi: 10.1007/s11104-021-05047-z
  7. Zhang, Y., Zhou, T., Zeng, J., Tan, E., Zhang, J., Wu, X., & Liu, B. (2025). Impact of annual plant prevalence on soil carbon storage through root turnover and productivity. Plant Soil, 1–17. doi: 10.1007/s11104-025-07439-x
  8. Seitz, V. A., McGivern, B. B., Daly, R. A., Chaparro, J. M., Borton, M. A., Sheflin, A. M., & Prenni, J. E. (2022). Variation in root exudate composition influences soil microbiome membership and function. Applied and Environmental Microbiology, 88(11), e00226-22. doi: 10.1128/aem.00226-22
  9. Low, K. E., Tingley, J. P., Klassen, L., King, M. L., Xing, X., Watt, C.,... & Abbott, D. W. (2023). Carbohydrate flow through agricultural ecosystems: Implications for synthesis and microbial conversion of carbohydrates. Biotechnology Advances, 69, 108245. doi: 10.1016/j.biotechadv.2023.108245
  10. Thomas, B. Y., & Dykstra, M. (2019). Picky-eater insects pass on high brix plants. Acres U.S.A.
  11. White, J. F., Kingsley, K. L., Verma, S. K., & Kowalski, K. P. (2018) Rhizophagy cycle: an oxidative process in plants for nutrient extraction from symbiotic microbes. Microorganisms, 6(3), 95. doi: 10.3390/microorganisms6030095
  12. Zhong, L., Li, Z., Shi, L., Larsen, T., Scheu, S., & Pollierer, M. M. (2025). Cropping systems and ecological groups of soil animals jointly affect the transfer of root-derived carbon and mineral nitrogen into the soil food web. Soil Biology and Biochemistry, 200, 109646. doi: 10.1016/j.soilbio.2024.109646
  13. Cakmak, I., & Engels, C. (2024). Role of mineral nutrients in photosynthesis and yield formation. In Mineral nutrition of crops, 141–168. doi: 10.1201/9781003578468-6
  14. Shi, Y., Wang, Z., Zhao, X., Li, Z., Zheng, J., & Liu, J. (2025). Harnessing the power of photosynthesis: from current engineering strategies to cell factory applications. Small Methods, 2402147. doi: 10.1002/smtd.202402147
  15. Molefe, R. R., Amoo, A. E., & Babalola, O. O. (2023). Communication between plant roots and the soil microbiome; involvement in plant growth and development. Symbiosis, 90, 231–239. doi: 10.1007/s13199-023-00941-9
  16. Bhattacharyya, S. S., Ros, G. H., Furtak, K., Iqbal, H. M., & Parra-Saldívar, R. (2022). Soil carbon sequestration–An interplay between soil microbial community and soil organic matter dynamics. Science of the Total Environment, 815, 152928. doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.152928
  17. Kumari, V. V., Banerjee, P., Verma, V. C., Sukumaran, S., Chandran, M. A. S., Gopinath, K. A., … Awasthi, N. K. (2022). Plant nutrition: an effective way to alleviate abiotic stress in agricultural crops. International Journal of Molecular Sciences, 23(15), 8519. doi: 10.3390/ijms23158519
  18. Yang, S., Li X., Chen, W., Liu, T., Zhong, S., Ma, L., … Luo, P. (2016). Wheat resistance to fusarium head blight is associated with changes in photosynthetic parameters. Plant Disease, 100, 847–852. doi: 10.1094/PDIS-04-14-0398-RE
  19. Ullah, S., & Ali, I. (2025). Understanding the molecular mechanisms of nitrogen assimilation in C3 plants under abiotic stress: A mini review. Phyton, 94(4), 1029. doi: 10.32604/phyton.2025.064608
  20. Braswell, L. R., Reisig, D. D., & Sorenson, C. E. (2019). Helicoverpa zea (Lepidoptera: Noctuidae) oviposition and larval vertical distribution in Bt cotton under different levels of nitrogen and irrigation. Journal of Economic Entomology, 112, 1237–1250. doi: 10.1093/jee/toz023
  21. Lange, E. S. D., Kyryczenko-Roth, V., Johnson-Cicalese, J., Davenport, J., Vorsa, N., & Rodriguez-Saona, C. (2019). Increased nutrient availability decreases insect resistance in cranberry. Agricultural and Forest Entomology, 21, 326–335. doi: 10.1111/afe.12335
  22. Das, P. P., Singh, K. R., Nagpure, G., Mansoori, A., Singh, R. P., Ghazi, I. A., & Singh, J. (2022). Plant-soil-microbes: A tripartite interaction for nutrient acquisition and better plant growth for sustainable agricultural practices. Environmental Research, 214, 113821. doi: 10.1016/j.envres.2022.113821
  23. Jacoby, R., Peukert, M., Succurro, A., Koprivova, A., & Kopriva, S. (2017). The role of soil microorganisms in plant mineral nutrition-current knowledge and future directions. Frontiers in Plant Science, 8, 1617. doi: 10.3389/fpls.2017.01617
  24. Kraiser, T., Gras, D. E., Gutiérrez, A. G., González, B., & Gutiérrez, R. A. (2011). A holistic view of nitrogen acquisition in plants. Journal of experimental botany, 62(4), 1455–1466. doi: 10.1093/jxb/erq425
  25. Tian, R., Liu, W., Wang, Y., & Wang, W. (2024). Cuticular wax in wheat: biosynthesis, genetics, and the stress response. Frontiers in Plant Science, 3, 15, 1498505. doi: 10.3389/fpls.2024.1498505
  26. Chaparro, J. M., Badri, D. V., Bakker, M. G., Sugiyama, A., Manter, D. K., & Vivanco, J. M. (2013). Root Exudation of Phytochemicals in Arabidopsis Follows Specific Patterns That Are Developmentally Programmed and Correlate with Soil Microbial Functions. Plos one, 8(2), e55731. doi: 10.1371/journal.pone.0055731
  27. Chen, M., Arato, M., Borghi, L., Nouri, E., & Reinhardt, D. (2018). Beneficial services of arbuscular mycorrhizal fungi — from ecology to application. Frontiers in Plant Science, 9, 1270. doi: 10.3389/fpls.2018.01270
  28. Trivedi, P., Leach, J. E., Tringe, S. G., Sa, T., & Singh, B. K. (2020). Plant-microbiome interactions: from community assembly to plant health. Nature Reviews Microbiology, 18(11), 607–621. doi:10.1038/s41579-020-0412-1
  29. Sharma, S., Kumar, P., & Singh, A. (2024). Systemic acquired resistance vs induced systemic resistance: A review. Agricultural Reviews, 45(3), 410–419. doi: 10.18805/ag.R-2411
  30. Kumar, S., Korra, T., Thakur, R., Arutselvan, R., Kashyap, A. S., Nehela, Y., & Keswani, C. (2023). Role of plant secondary metabolites in defence and transcriptional regulation in response to biotic stress. Plant stress, 8, 100154. doi: 10.1016/j.stress.2023.100154

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-05-16

Номер

№ 2 (2025)

Розділ

Статті

Ліцензія

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).