Важнейшее значение в жизни человека имеют зерновые хлеба. Они являются продовольственной основой на земном шаре и занимают примерно половину посевных площадей всех полевых культур в мировом земледелии.
По своему значению в продовольственном балансе человечества их можно распределить в такой последовательности: пшеница, рис, кукуруза, просо, сорго, ячмень, овес, рожь. В конце XX в. посевная площадь зерновых культур в мире составляла порядка 700 млн га, валовой сбор — 2100 млн т и средняя урожайность — 3,0 т/га. В 2001—2005 гг. в России эти показатели были следующие: 43,7 млн га; 78,1 млн т. и 1,9 т/га. Зерно является одновременно продуктом питания для человека, кормом для сельскохозяйственных животных и сырьем для перерабатывающей промышленности. Отруби и другие отходы переработки зерна, а также полова и частично солома постоянно применяются в животноводстве. Кроме того, солома может использоваться в виде органического удобрения и для получения бумаги. Так как производство зерна считается основой сельского хозяйства, то дальнейшее его увеличение имеет важнейшее значение для подъема других отраслей и для удовлетворения потребностей населения в продуктах питания.
Зерновые культуры входят в состав семейства Мятликовые (Роасеае), или Злаковые (Gramineae), кроме гречихи, которая принадлежит к семейству Гречишные (Polygonaceae). К зерновым хлебам относятся 9 ботанических родов: пшеница, рожь, тритикале, ячмень, овес, кукуруза, просо, сорго и рис, в каждый из них входит обычно несколько видов. В их составе могут быть несколько разновидностей, которые в свою очередь делятся на сорта. Зерновые культуры имеют много общих морфологических и биологических особенностей, но для удобства изучения их принято делить на две группы. К I группе относятся культуры северного происхождения, где летом длинный день, — пшеница, рожь, тритикале, ячмень и овес. Во II группу входят культуры южного происхождения, где летом короткий день, — кукуруза, просо, сорго и рис. Некоторые авторы ко второй группе относят также чумизу (итальянское просо), пайзу (японское просо), африканское просо и др. Хлеба I группы имеют озимые и яровые формы, а II группы — только яровые.
Корневая система у них называется мочковатой. Такое название связано с тем, что от подземных узлов отходят пучки («мочки») множества отдельных корешков и корневых волосков.
При прорастании семени в начале образуются первичные (зародышевые) корни, число которых колеблется от 1 (хлеба II группы) до 3-8 (хлеба I группы). Зародышевые корни продолжают функционировать на протяжении всей жизни растений, их роль значительно возрастает в засушливых условиях. Вторичные (узловые) корни начинают формироваться через 12—18 дней после всходов из подземных стеблевых узлов. Для их быстрого роста и развития нужна оптимальная влажность почвы, а при пересыхании верхнего слоя они растут очень плохо или даже совсем не появляются. Получить высокий урожай зерновых культур можно только при хорошем развитии узловых корней. Кроме того, у высокорослых зерновых культур (кукуруза, сорго) могут также формироваться опорные (воздушные) корни из стеблевых узлов, которые расположены близко к поверхности почвы. Они повышают устойчивость растений к полеганию, а также участвуют в снабжении их минеральными элементами. У зерновых культур отдельные корни могут проникать очень глубоко (150—200 см), но основная масса их (75—90%) находится в пахотном слое почвы (0—20 см). В общей массе сухого вещества доля корней составляет около 20—25%. Строение корневой системы и характер ее развития зависят от вида растения и сорта; наиболее мощной обладают озимая рожь, овес и кукуруза. Работами многих ученых было установлено, что в корнях не только происходит поглощение воды и растворенных в ней минеральных элементов, но также синтез многих органических веществ (фосфорорганические соединения, аминокислоты, амиды, алкалоиды и др.).
Стебель у зерновых культур представлен соломиной цилиндрической формы, которая может быть полой или заполненной паренхимой.
Она состоит, как правило, из 5—7 междоузлий, разделенных специальными перегородками (узлами). Рост стебля у зерновых культур принято называть вставочным (интеркалярным), так как он происходит за счет удлинения всех междоузлий. Он имеет вид так называемой S-образной кривой роста, когда в начале и в конце вегетации темпы его более медленные, а в средине (выход в трубку, колошение и цветение) интенсивные. Устойчивость зерновых культур к полеганию зависит от толщины и прочности междоузлий. Когда из подземных узлов стебля образуются вторичные корни и боковые побеги, начинается кущение зерновых культур.
Лист состоит из влагалища и листовой пластинки, в их соединении находятся язычок и ушки, которые относятся к систематическим признакам при определении хлебов первой группы. Количество листьев и их размеры сильно отличаются у различных культур и сортов.
Соцветие у зерновых культур представлено двумя типами: а) сложный колос (пшеница, рожь, тритикале и ячмень); б) метелка (овес, просо, сорго и рис). В отличие от других культур на одном растении кукурузы формируется два соцветия — в верхней части стебля метелка с мужскими цветками, а в пазухах листьев початки с женскими цветками. Колос является продолжением стебля, в его состав входят членистый колосовой стержень и расположенные на его уступах колоски. На каждом уступе может находиться один колосок (пшеница, рожь, тритикале) или три (ячмень). Колосковые чешуи у отдельных культур отличаются между собой. Метелка состоит из центральной оси с узлами и междоузлиями. В узлах формируются боковые разветвления, которые также ветвятся, образуя ветви различных порядков. На концах каждой веточки находится один колосок (многоцветковый — у овса и одноцветковый — у проса, сорго и риса).
Цветок имеет две цветковых чешуи — нижняя (наружная) и верхняя (внутренняя). Наружная цветковая чешуя остистых форм имеет ость.
Мужские (тычинки) и женские (пестики) генеративные органы находятся между цветковыми чешуями. Плод состоит из односемянной зерновки, которая обычно называется зерном. В ней единственное семя покрыто семенной оболочкой, которая сформировалась из двух оболочек семяпочки, и плодовой, образовавшейся из завязи. В состав зерновки входит зародыш, эндосперм и сросшиеся с ними семенная и плодовая оболочки. У пленчатых хлебов зерновка покрыта цветковыми чешуями, которые могут срастаться с ней (ячмень) или только плотно облегать ее (овес, просо, сорго, рис). На долю зародыша приходится 2—12% массы зерна. Он состоит из зародышевого корешка и стебелька, почечки и щитка (видоизмененной семядоли). Эндосперм составляет основную массу зерна (70—85%), его ткани состоят из паренхимных клеток, которые заполнены крахмальными зернами, а между ними находится белковое вещество. В периферийной части эндосперма, который называется алейроновым слоем, крахмала нет; он состоит из крупных клеток, которые заполнены растворимым белковым веществом. В алейроновом слое находятся также ферменты и другие биологически активные вещества, которые оказывают влияние на прорастание зерна. Плодовая и семенные оболочки составляют 5—7% от общей массы зерна.
Химический состав зерна сильно изменяется в зависимости от вида и сорта, почвенно-климатических условий и агротехнологии.
По литературным данным содержание белка в зерне может колебаться от 6,7% (рис) до 12,9% (пшеница); жира — от 1,7—1,8% (рожь, пшеница) до 5,3-6,9% (овес, кукуруза); углеводов — от 59,7% (овес) до 69,6% (рожь). Основное содержание зерна составляют безазотистые экстрактивные вещества — БЭВ (крахмал, сахар и др.), которые в основном находятся в эндосперме. Больше всего белков имеется в пшенице и меньше всего — в рисе. Простые белки называются протеинами, сложные — протеидами. Простые белки включают в себя альбумины (водорастворимые), глобулины (солерастворимые), глютелины (растворимые в кислотах и щелочах), проламины (растворимые в спирте).