В процессе длительного естественного и искусственного отборов у озимых хлебов выработалась способность в известной мере бороться с неблагоприятными условиями перезимовки.
Способность противостоять влиянию морозов и других зимних невзгод развивается в растениях с осени и известна под названием «закалка». Закаливание растений представляет собой физиологический процесс, сущность которого до настоящего времени еще полностью не выяснена. Однако имеющиеся данные позволяют установить физиолого-биохимические процессы, происходящие в этот период. К ним относятся, в частности, накопление Сахаров и сухих веществ, обезвоживание тканей, изменение структуры плазмы клеток растений и т. д.
Сущность закаливания растений, по И. И. Туманову (1940), сводится к двум фазам.
Первая фаза проходит осенью в еще не замерзших растениях при пониженных температурах (примерно от 6 до 0°С), замедляющих ростовые процессы, но поддерживающих фотосинтез. При этом происходит накопление Сахаров как защитных веществ. При таких условиях озимые растения способны накапливать до 20— 30% Сахаров. Растения, заканчивающие первую фазу закаливания, выдерживают температуру от —10 до — 12° С.
Во второй фазе, проходящей при более низких температурах (примерно от —2 до —5° С), повышение зимостойкости связано главным образом с процессом обезвоживания растительной ткани и переходом части свободной воды в связанную. Весьма вероятно, что вторая фаза закаливания растений связана с процессом обособления протоплазмы клеток.
Закаливание озимых культур лучше протекает в ясные солнечные дни, чередующиеся с умеренно морозными ночами. Для прохождения первой фазы требуется 12—14 дней, а для полного закаливания —21—24 дня. Озимая пшеница, прошедшая фазы закаливания, становится более зимостойкой и способна при наличии снежного покрова переносить морозы на глубине узла кущения до 15—16° С. Она меньше подвергается влиянию других неблагоприятных климатических условий.
По теории А. Л. Курсанова (1941), сущность закаливания растений заключается в приспособлении внутренней биохимической деятельности клеток к новому температурному режиму. При этом одни растения более подготовлены приводить свой ферментативный аппарат в соответствие с новыми температурными условиями, другие с трудом восстанавливают ферментативное равновесие, поэтому могут погибать при температурах, находящихся еще далеко от точки замерзания тканей растений, или при температурах, вызывающих коагуляцию протоплазмы.
В последние годы исследованиями И. И. Туманова и Т. И. Труновой (1958) установлено, что низкая температура необходима в период закаливания прежде всего для ослабления роста растений. В растениях создается физиологическое состояние, благоприятное для развития в протопласте свойств морозостойкости. Чем ближе температура к 0°С, тем слабее идет прирост и интенсивнее протекает первая фаза закаливания. Исследователи выяснили, что ростовые процессы подавляются вследствие понижения температуры и накапливания в тканях Сахаров. При этом свет влияет на морозостойкость не только через фотосинтез (накопление Сахаров и других защитных веществ), но и путем торможения ростовых процессов.
При закаливании в тканях озимых растений уменьшается количество как свободного, так и связанного ауксина. Однако одной пониженной температуры для этого процесса недостаточно, необходимо обогащение клеток сахарами. Наличие свободного ауксина в растении влияет на его морозостойкость (Радченко, 1967).
Большое значение имеют работы по морозостойкости растений Бартетцко (Bartetzko, 1909), Ирмшера (Irmscher, 1912), Винклера (Winkler, 1913), Лидфорса (Ledforss, 1896, 1907) и др. Лидфорс при изучении большого количества видов травянистых и древесных растений пришел к выводу, что накопление сахара в клетках растений к зиме является важнейшим средством защиты их от вредного действия мороза.
Шведский селекционер-физиолог Акерман (Akerman, 1927) на основе исследований озимой пшеницы установил тесную связь между содержанием Сахаров и морозостойкостью растений; особенно ярко она проявилась в начале зимы, когда растения находились в состоянии закаливания.
В процессе закаливания озимой пшеницы происходит синтез и гидролиз Сахаров. Как показали исследования Н. И. Белкина (1951, 1961), закалка различных сортов озимой пшеницы сопровождается смещением реакции в сторону синтеза и сдвиг тем дальше, чем выше зимостойкость.
По данным Н. И. Белкина, все, что затрудняет переход из аморфного в кристаллическое состояние и увеличивает вязкость плазмы, будет повышать ее устойчивость к замерзанию, а то, что способствует абсорбции ферментов или усиливает синтетическую деятельность, увеличивает зимостойкость. Например, применение фосфора и калия активизирует синтетические процессы, что приводит к лучшей закалке и повышению зимостойкости растении. Внесение азота, наоборот, усиливает гидролитические реакции, вследствие чего снижается зимостойкость растений.
Влияние калия на синтетическую и гидролитическую активность ферментов углеводного обмена изучали Д. Ф. Проценко и О. И. Колоша (1966). В листья растений озимой пшеницы вводили хлористый калий (0,015М), что значительно увеличивало синтетическую активность инвертазы. Гидролиза введенной сахарозы в листьях не произошло.
По мнению ученых, основная причина повышения морозостойкости растений при внесении калийных удобрений заключается в том, что их катионы способствуют передвижению растворимых Сахаров в наиболее важные части растения. Этим самым создаются условия, повышающие морозостойкость растения.
Морозостойкость озимой пшеницы зависит как от мобилизуемых резервов углеводов и других соединений, так и от интенсивного перехода их в более простые соединения. В этом процессе большая роль принадлежит ферментам, регулирующим и активизирующим углеводный и азотный обмен. Под действием низких температур морозостойкие сорта (по Туманову, Панченко и др.) быстрее проходят вторую фазу закаливания, о чем свидетельствуют данные опытов Д. Ф. Процеико и О. И. Колоша.
В результате закаливания морозостойкость пшеницы и ржи значительно повысилась. Рожь оказалась более морозостойкой, чем пшеница. Из сортов пшеницы по морозостойкости выделились Ульяновка и Мироновская 808, менее морозостойкой после закалки и без нее была Безостая 1.
Если озимая пшеница с осени хороню раскустилась, при благоприятных условиях прошла закаливание, то она способна в зимний период (при наличии снежного покрова) выдерживать морозы до 30—35° С и ниже.
Некоторые исследователи (Яковлев, 1966; Долгушин, 1963, и др.) считают, что озимая пшеница может переносить температуру на глубине узла кущения ниже —16-17° С. По-видимому, это связано с большой толщиной снежного покрова и непродолжительным действием (в течение нескольких часов) низких температур. Кратковременные низкие температуры на глубине узла кущения (ниже — 16—17°) могут иногда наблюдаться в некоторых районах Урала, Зауралья, нечерноземной зоны и Поволжья.