Соняшник біологічні та фізіологічні особливості

Соняшник однорічний (Helianthus annuus) — це трав’яниста рослина, яка за ботанічною класифікацією належить до роду Соняшник з родини айстрові (Asteraceae) або складноцвіті (Compositae).

Як правильно називають соняшники?

Правильна назва — це соняшник, , але слово «сонях» дуже часто використовується в розмовній мові, і не можна сказати, що це неправильно.

Соняшник англійською — sunflower [санфлавер], що означає квітка сонця або сонячна квітка! На фото — поле з квітучим соняшником.

Соняшники дуже ефектні квіти, тому багато відомих художників зображали їх на своїх картинах, найбільш відома картина — «Соняшники Ван Гога»

Як можна описати соняшник? Соняшник можна описати не тільки словами, а й зобразити на картині. І це робили люди з найдавніших часів – малюнки соняшника писали навіть індіанці в Північній Америці! Багато картин з соняшниками увійшли в історію світового мистецтва, як це дуже відоме полотно — «Соняшники Моне»

Наукова класифікація соняшнику:

• Домен: Еукаріоти
• Царство: Рослини
• Відділ: Квіткові
• Клас: Дводольні
• Надпорядок: Asteranae
• Порядок: Астрокольорові
• Родина : Астрові
• Вид: соняшник однорічний (Heliánthus ánnuus)

Сучасна агрономічна класифікація соняшнику (який буває соняшник):

• Гібриди соняшнику F1 (найпоширеніші в сільському господарстві)
• Сорти соняшнику
• Декоративний соняшник
• Олійний соняшник (найпоширеніший у сільському господарстві)
• Кондитерський соняшник
• Звичайний соняшник (не стійкий до гербіцидів)
• Clearfield (стійкий до гербіциду Клеарфілд) соняшник
• Clearfield Plus (стійкий до гербіциду Клеарфілд плюс) соняшник
• ExpressSun (стійкий до гербіциду Експрес) соняшник

Соняшник однорічний – одна з основних культур. Важлива ознака якісного, високопродуктивного, а отже і прибуткового посіву соняшника — це рівномірність розвитку всіх рослин, одночасне проходження всіма рослинами всіх фаз розвитку, однакові розміри рослин та вирівняність поля

Де вперше почали вирощувати соняшник?

Хто першим вивів соняшник? Де вперше почали вирощувати соняшник? Відповісти на ці питання точно ніхто не може, але згідно з класичним вченням про центри походження культурних рослин Вавілова — соняшник однорічний походить з Північної Америки. Таким чином, ймовірно, що саме там з’явилися перші оброблені поля з соняшником!

Коренева система соняшнику

Коренева система соняшника стрижнева, яка може проникати на глибину 3 м та більше. Рівень розвитку кореневої системи дуже залежить від генетичних особливостей того чи іншого гібриду соняшника та від системи обробітку ґрунту. Соняшник має стрижневу кореневу систему. Довжина кореневої системи набагато перевищує висоту надземної частини рослин (за деякими даними у 3-10 разів). Коріння рослин соняшника росте досить швидко, і вже на стадії 4-5 листків у рослин, довжина їх кореня досягає 60-100 см. Рослини соняшнику дуже чутливі до різних ущільнень ґрунту та підґрунтового шару.

Рослина соняшника утворює потужну кореневу систему, основна маса яких розташована на глибині 10-45 см. Найбільш інтенсивне зростання коренів відбувається в період росту рослини, а основна маса коренів формується в період від утворення кошика до моменту цвітіння.

В хороших умовах діаметр кореневої системи однієї рослини може досягати 1,5-3,0 м. Завдяки наявності добре розвиненого і проникаючого на велику глибину головного кореня, соняшник може витримувати посуху і добре засвоювати поживні речовини та ґрунтову вологу. Але це в тому випадку, якщо грунт не ущільнений і росту кореня нічого не заважає (наприклад, перешкодою може бути щільна плужна підошва). За вологих умов, коріння соняшника розвивається ближче до поверхні ґрунту, а в сухому кліматі воно проникає глибше. У разі, якщо рослини соняшника, через наявність плужної підошви формують поверхневу кореневу систему, вони будуть менш стійкі до вітру і вилягатимуть.

Завдяки потужній кореневій системі соняшник найкраще , порівнюючи з іншими культурами, використовує ґрунтову вологу з глибоких шарів. Завдяки такій властивості  ця культура – ​​одна з найбільш посухостійких. Також соняшник може акумулювати вологу з роси, навіть коли дуже сухо.

Стебло соняшника

• Стебло у сучасних сортів та гібридів соняшника, що використовуються в культурі, не розгалужуються.
• Розгалуження стебла соняшника, яке трапляється її іноді в посівах, вважається поганою ознакою, що знижує врожайність.
• Заввишки стебло соняшника від 0,6 до 4 м (в культурних форм зазвичай – 0,8-2,0 м).
•  В посівах, діаметр стебла в місці кореневої шийки 2-7 см.
• Стебло соняшника опушене, в нижній частині характерне його задерев’яніння .
• Стебло закінчується поодиноким суцвіттям — кошиком.
• Коли насіння соняшника дозріває, верхня частина стебла, що прилягає до суцвіття, згинається під вагою насіння.

Листя соняшнику

Листки соняшнику розташовані на стеблі спірально, тільки перші чотири листки розташовані супротивно — один проти одного. Зазвичай листя має серцеподібну форму, опушене (рідкісні дрібні жорсткі волоски). Край листка зазвичай зазубрений. Довжина листя середнього ярусу від 10 до 50 см. На розмір листя впливають генетичні особливості, густота посіву та рівень мінерального живлення . Найбільше листя знаходиться в середній частині стебла рослини.

Листя зберігає свою асиміляційну здатність і фотосинтетичну активність протягом тривалого часу після цвітіння. Листя рослин, разом із суцвіттями (особливо добре це помітно до початку цвітіння), повертаються протягом дня слідом за сонцем — в напрямку  сонця від сходу на захід. Вранці вони спрямовані на схід і протягом дня, вони повертаються зі сходу, через південь на захід. Ця властивість сприяє кращому сприйняттю листям сонячного світла, що дуже важливо задля ефективності фотосинтезу. Хворі, ті що перебувають у стані стресу і вже дозрілі рослини, втрачають цю здатність.

Соняшник має характерну особливість — його суцвіття повертаються за сонцем. 

Як соняшник рухається за сонцем. Загадку — чому соняшник рухається за сонцем, намагалися розгадати багато провідних вчених і фізіологів рослин, але досі дуже багато в цьому процесі залишається таємницею.

Суцвіття соняшнику

Суцвіття соняшнику — це та частина рослини, де формується насіння, завдяки якому і вирощують цю культурну рослину. Суцвіття має коротку вісь і являє собою кошик. На краю кошика розташовані в 2-3 ряди приквітки. Зовнішні квіти — язичкові квітки з жовтими пелюстками, які розміщуються у двох рядах. Їхня кількість не залежить від розміру кошика (зазвичай їх не більше 100 шт. на один кошик). Більшість квіток всередині кошика — це трубчасті квітки, які й формують згодом насіння. Залежно від розміру кошика, їхня кількість може коливатися в межах від 1000 до 2000 і більше.

У центрі кошика зазвичай формується дрібніше насіння, а в поганих умовах або у рослин з поганою генетикою — в центральній частині кошика частина квіток може не запліднюватися і залишатися стерильними. Оскільки цвітіння починається з краю кошика — і відбувається у напрямку до центру кошика, поживні речовини надходять до насіння в центрі кошика в останню чергу і в разі посухи, вони гірше постачаються поживними речовинами і тому зазвичай дрібніші. У гібридів з гарною генетикою, насіння у внутрішній частині кошика більші. Тривалість цвітіння окремого кошика від 5 до 12 днів. Під час цвітіння кошики припиняють рух за сонцем та фіксуються у напрямку південного сходу, що сприяє формуванню насіння.

Запилення соняшнику

Запилення соняшника перехресне. Запилення відбувається за допомогою комах (метелики, бджоли, джмелі та інші комахи-запилювачі). На окремо взятій квітці запилювачі виділяють фертильний пилок раніше, ніж дозрівають приймочки — це своєрідний природний механізм для перехресного запилення, що запобігає запиленню квітки своїм ж пилком.

Соняшник щойно відцвів. У таку фазу можна працювати фунгіцидами та інсектицидами, тому що бджоли вже не запилюють рослини. Але треба брати до уваги, що соняшник цвіте нерівномірно і частина рослин на полі цвістиме. Тому під час будь-яких обприскувань слід закривати на день бджіл, застосовувати препарати, безпечні для бджіл і обприскувати тільки у вечірні сутінки і вночі, коли бджіл на посівах вже немає

Соняшник щодо фотоперіоду

Соняшник — це рослина, нейтральна щодо фотоперіоду. Цвітіння соняшника не залежить від довжини дня і настає за будь-якої тривалості освітлення, крім дуже короткої, що призводить до голодування рослин. Але кількість квіток і врожай насіння  соняшника, все ж таки залежить від співвідношення довжини дня і ночі. Різні гібриди соняшнику, розрізняються за цим показником, це відбувається через  генетичні відмінності між ними. Багато досліджень показують, що є сорти соняшнику, які є рослинами короткого дня. Також існують різні генотипи соняшнику, у яких спостерігається й  амбі фотоперіодична відповідь на тривалість світлового дня (ambi-photoperiodic response), з кращим цвітінням або в короткі або довгі дні, але не в дні з проміжною (нейтральною) тривалістю. Тобто такий соняшник може добре реагувати на короткий (<12 годин) або на довгий (>12 годин) світловий день. Зазвичай у більшості генотипів соняшника при довжині дня в 11-14 годин створюються умови для переходу в генеративну фазу розвитку рослин. На формування врожайності також впливає інтенсивність сонячного світла і наявність тепла. Соняшник не терпить затінення. При високому рівні сонячної інсоляції та наявності теплої погоди перехід до формування генеративних органів, як і цвітіння, відбуваються раніше, а інтенсивність фотосинтезу буде вищою .

Фотосинтез соняшника

На інтенсивність фотосинтезу соняшнику дуже впливає також рівень азотного живлення рослин (і взагалі рівень мінерального харчування рослин). При низькому рівні азотного живлення листя рослин соняшника стає жовтим, зелений пігмент (хлорофіл) формується в недостатній кількості для росту, розвитку рослин і формування високого врожаю.

Фотосинтетична здатність рослин соняшника є дуже високою. Незважаючи на те, що соняшник на кшталт фотосинтезу, це СЗ — рослина, його фотосинтетична активність приблизно дорівнює рівню фотосинтетичної активності кукурудзи, яка є С4 — рослиною. Ефективність фотосинтезу соняшнику становить 40-50 мг СО2/дм2/год, а у пшениці (20…25 мг СО2/дм2/год). Таким чином, інтенсивність фотосинтезу соняшника більш висока, ніж пшениці. Температури, необхідні для здійснення фотосинтезу соняшнику: зазвичай фотосинтез починається при температурах трохи нижче 20°С  та закінчується при температурі трохи вище 30°С, оптимум припадає на 25-28°С. Але ці показники умовні, в холодну погоду або за вищих температур фотосинтез та інші фізіологічні процеси теж відбуваються в рослинах соняшнику, хоча їх інтенсивність значно нижча.

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії

С3-фотосинтез — один із трьох основних метаболічних шляхів для фіксації вуглецю поряд із С4- та CAM-фотосинтезом. В ході цього процесу вуглекислий газ і рибулозобісфосфат (п’ятивуглецевий цукор) перетворюються на дві молекули 3-фосфогліцерату (тривуглецевої сполуки) за допомогою наступної реакції:

СО2 + H2O + РуБФ → (2) 3-фосфогліцерат

Ця реакція є першим кроком циклу Кальвіна і відбувається у всіх рослин. У С3-рослин вуглекислий газ фіксується безпосередньо з повітря, а вС4- і CAM-рослин — після вивільнення з малату.

С3-рослини, як правило, процвітають у районах з великою кількістю підземних вод, помірною інтенсивністю сонячного світла, помірною температурою та концентрацією вуглекислого газу близько 200 ppm або вище [1]. Ці рослини зародилися в мезозої та палеозої, задовго до появи С4-рослин, та , як і раніше, становлять близько 95% рослинної біомаси Землі. Як приклад, також можна навести рис та ячмінь [2].

С3 рослини втрачають при транспірації до 97% води, закачаної через коріння. З цієї причини вони не можуть зростати в спекотних місцях: головний фермент С3-фотосинтезу, рибулозобісфосфаткарбоксилаза, з підвищенням температури починає активніше каталізувати побічну реакцію РуБФ з киснем. Утилізація побічних продуктів цієї реакції відбувається під час фотодихання, що призводить до втрати рослиною вуглецю та енергії і, отже, може обмежувати його зростання. У посушливих районах С3-рослини закривають продихи, щоб зменшити втрати води, але це не дозволяє CO2 потрапляти в листя і знижує його концентрацію в листі. В результаті падає співвідношення СО2:О2, що також посилює фотодихання. С4- і CAM-рослини мають пристосування, що дозволяють їм виживати в посушливих і спекотних районах, і тому вони можуть витіснити С3-рослини в цих областях.

Raven, J. A., Edwards, D. (2001). «Roots: evolutionary origins and biogeochemical significance». Journal of Experimental Botany 52 (90001): 381-401

C4-фотосинтез, або цикл Хетча — Слека, — шлях зв’язування вуглецю, характерний для вищих рослин, першим продуктом якого є чотиривуглецева щавлевооцтова кислота, а не тривуглецева 3-фосфогліцеринова кислота, як у більшості рослин зі звичайним C3-фотосинтезом

Завдяки більш ефективному способу фіксації CO2 відпадає необхідність постійно тримати продихи відкритими для забезпечення активного газообміну, а значить знижуються втрати води в ході транспірації. З цієї причини C4-рослини здатні рости в більш посушливих місцях, при високих температурах, в умовах засолення та нестачі CO2. Тим не менш, додаткові кроки по фіксації вуглецю в C4-шляху вимагають додаткових витрат енергії у формі АТФ.

Серед культурних рослин С4-види (кукурудза, сорго, деякі види проса, цукрова тростина, міскантус) мають більше значення, ніж серед дикорослих, їхня продуктивність становить від 33 % (з урахуванням залишків, що не використовуються за прямим призначенням, як, наприклад, солома злаків, стебла та листя коренеплодів) до 38% сумарної продуктивності основних сільськогосподарських культур [70]. Також у цих рослин спостерігаються вищі швидкості росту. В оптимальних умовах зрошення та підживлення посіви кукурудзи та цукрової тростини є найпродуктивнішими з відомих агроценозів [71]. До C4-рослин також належать і найбільш стійкі бур’яни, включаючи 8 з 10 найзлісніших бур’янів, наприклад, свинорий пальчастий і куряче просо [72].

C4-рослини також можна використовувати для виробництва біопалива, як наприклад кукурудза в США або цукрова тростина в Бразилії.  Як альтернатива також розглядається варіант вирощування холодостійких C4-злаків, таких як просо для виробництва целюлозного етанолу. Наприклад, урожайність холодостійких злаків із роду Міскантус становить 15—29 тонн сухої речовини на гектар за рік[65].

Однією із проблем, пов’язаних із зростанням населення світу, є виснаження запасів продовольства, тим більше, що кількість доступних для обробки орних земель неухильно знижується. Один із способів збільшення врожайності – використання С4-фотосинтезу. Найпростіший із можливих підходів полягає у зміні диких, не культивованих С4-видів для створення на їхній основі нової сільськогосподарської культури. Наприклад, методами селекції з курячого проса можна було б вивести рисоподібну культурну рослину [73].

65. Raghavendra, Sage, 2011, Chapter 19; Michael B. Jones: C4 species as energy crops., pp. 379-397.
66. Donat-Peter Häder: Photosynthese, 1. Auflage, Thieme Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 978-3-13-115021-9, S. 214.
67. Хелдт, 2011, с. 195.
68. Raghavendra, Sage, 2011, Chapter 18; James N. Burnell: Hurdles to Engineering Greater Photosynthetic Rates in Crop Plants: C4 Rice., p. 363.

Вимоги соняшнику до вологи та транспіраційний коефіцієнт соняшника

 Судинний пучок соняшника — зображення зі скануючого електронного мікроскопа (x-перетин). По судинах у рослині соняшнику транспортується вода та поживні речовини

При хорошому постачанні вологою рослини соняшнику споживають і випаровують багато води. Зростаючи в хороших умовах зволоження грунту, транспіраційний коефіцієнт соняшнику (транспіраційний коефіцієнт — кількість води (у грамах), що витрачається на утворення 1 г сухої речовини рослини, залежить від кліматичних та ґрунтових умов, а також від генетики та виду рослин, може змінюватись від 200 до 1000 і більше) становить близько 450-640 л/кг абсолютно сухої маси.

У порівнянні з іншими рослинами, у соняшника транспіраційний коефіцієнт вищий: у пшениці дорівнює 400-570, а в кукурудзи — 220-400 л/кг. В критичних умовах, у разі посухи та нестачі вологи (при польовій вологоємності ґрунту в умовах, близьких до точки зав’ядання), транспіраційний коефіцієнт у соняшника знижується до 450 (а в інших культур, в подібних умовах — у пшениці до 400-530, у кукурудзи — 170 л/кг).

Високе споживання вологи рослинами соняшнику пояснюється низьким опором при транспортуванні води через рослину та низьким опором при транспірації води через продихи.

 Але варто взяти до уваги, що всі ці коефіцієнти та показники є умовними і дуже сильно залежать від генетики рослин, умов довкілля, мінерального фону, наявності вологи, температури, рівня освітлення, післядії гербіцидів, рівня розвитку біомаси та дуже сильно від того, чи знаходяться рослини під дією стресів. У разі наявності стресів інтенсивність цих процесів дуже сильно знижується. У сучасному землеробстві, розрахункові норми поливу на основі транспіраційних коефіцієнтів вже не використовуються, оскільки норми поливу, залежать від великої кількості інших факторів: вологості ґрунту, можливостей інфільтрації води в підґрунтові горизонти, структури та типу ґрунтів, методу зрошення тощо. У більшості сучасних систем поливу використовуються датчики вологості ґрунту, які дають команду на включення поливу при зниженні вологості ґрунту нижче оптимального рівня