Nació en Karlovka, en hogar campesino. Estudió en su villa natal, y en 1921 se graduó en la Escuela de Horticultura y Jardinería de Uman; en 1925 obtuvo el doctorado en el Instituto Agronómico de Kiev. Desde 1921 trabajó en la estación selectiva de Belaya Tserkov, y entre 1925 y 1929 en la estación de selección experimental de Gandzha. En 1929 entró en el Instituto de Selección y Genética de Ucrania, en el departamento de Fisiología, al que dirigió de 1934 a 1936. Miembro de la Academia Ucraniana de Ciencias desde 1934, dirigió el Instituto de Selección y Genética de Odesa, de donde pasó a la Academia Lenin de Agricultura. Tras unos primeros exitosos experimentos para mejorar el cultivo de patatas y cereales, hacia 1930 se especializó en investigaciones sobre la herencia y su variabilidad, el desarrollo individual del organismo, las relaciones específicas e interespecíficas y las leyes de formación de las especies. Alcanzó celebridad en 1948 cuando en una sesión histórica de la Academia de Ciencias Agrícolas de la Unión Soviética sostuvo posiciones contrarias a las teorías de Mendel -aceptadas y comprobadas por todo el mundo científico-, e impuso a sus colegas soviéticos las que pasarían a ser en su país "teorías oficiales" en materia de Genética.
Sus trabajos sobre vernalización (adaptación de los períodos de floración mediante factores físicos, como la temperatura) favorecieron el cultivo de varios productos, trigo y algodón, y con ello creyó desterrar y sepultar el pensamiento mendeliano. Cuando en Francia se divulgaron sus teorías se desató una intensa polémica. Los científicos de Occidente las refutaron y atribuyeron muchos de los descalabros sufridos por la agricultura soviética a la puesta en práctica de ellas. No obstante, Lysenko fue nombrado presidente de la Academia de Ciencias Agrícolas de la U.R.S.S. Pero la verdad científica acabó por imponerse, y aún en la Unión Soviética, en 1965 (después de la muerte de Stalin) Lysenko cayó en desgracia y su obra fue condenada como "carente de fundamento y esencialmente errónea "; y en 1966 se creó una sociedad de Genética para combatir el pensamiento de este biólogo, que falleció en Kiev.
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