Растения, хоть и неподвижны, обладают удивительной способностью взаимодействовать с окружающей средой и контролировать внутренние физиологические процессы. Одна из ключевых задач — защита от неблагоприятных условий и повреждений. Для этого растения формируют специальные барьеры, которые служат защитой от потери воды, проникновения патогенов и воздействия внешних факторов. Как же растения отслеживают состояние этих барьеров и обеспечивают их восстановление? Недавние научные открытия подтверждают, что важнейшим элементом в этом процессе является диффузия газов, таких как этилен и кислород, через поврежденные участки тканей. Защитным барьером корней многих семенных растений служит перидерма — многослойная структура, которая образуется в процессе вторичного роста.
Она включает три типа клеток: феллему (пробковый слой), феллоген (меристема, дающая начало клеткам защитного слоя) и феллодерму (внутренний слой). Особая роль принадлежит феллеме, которая благодаря отложению в клеточную стенку лигнина и суберина образует жесткий и непроницаемый покров, защищающий сократительную часть корня от вредителей и высыхания. При повреждении этой структуры возникает угроза для выживания растения, поэтому перидерма способна регенерироваться, восстанавливая разрушенные защитные слои. Исследования на растении Arabidopsis thaliana показали, что после механического повреждения корневого перидермы происходит уникальное событие — через ранку начинает диффундировать газ этилен наружу, а внутрь тканей поступает кислород. Подобная смена газового состава в поврежденной зоне приводит к изменению внутренней сигнализации и является ключевым сигналом для инициации процессов восстановления.
Выделение этилена через ранения снижает его концентрацию внутри тканей и тормозит сигнальный путь этилена. Одновременно увеличение поступления кислорода ослабляет гипоксический ответ клеток. Такая двойственная регуляция — снижение этиленового и гипоксического сигнала — стимулирует деление клеток феллогена и образование новых феллематозных клеток, восстанавливая защитный барьер. Биологическая суть этого механизма связана с особенностями газообмена в корневых тканях. В норме пеллема ограничивает диффузию газов, создавая внутри гипоксические условия и удерживая этилен.
Повреждение нарушает этот газообмен, и растения, «чувствуя» изменение концентраций газов, активируют комплекс регенеративных процессов. Этилен известен как гормон стресса, который регулирует рост и развитие растений, часто вызывая замедление роста и реакцию на внешние воздействия. В поврежденных участках снижение этиленового сигнала служит противоиндукцией, разблокируя возможность развития новых клеток барьера. Эксперименты с приложением коронка ACC — предшественника этилена — подтвердили, что избыточный этилен затормаживает регенерацию перидермы, вызывая образование неполных или прерывистых суберинизированных слоев. С другой стороны, гипоксические условия, при которых снижается содержание кислорода, препятствуют активации важных генов регенерации.
Мутации в генах, отвечающих за сенсоры кислорода и связанные с распадом регуляторов гипоксии, также приводят к дефициту восстановления барьера, доказывая критическую роль газовой сигнализации. Уникальность газовой системы контроля заключается в ее универсальности. Помимо корней, подобные механизмы обнаружены и в надземных органах растений, например, в стеблях Arabidopsis. Там при повреждении эпидермиса также активируется формирование пробковидного слоя, а прекращение контакта с внутренними тканями через газовую диффузию направляет восстановительные реакции. Несмотря на различия в тканевых структурах, идея о контроле целостности защитных барьеров посредством газовых сигналов — общая составляющая стратегии выживания растений.
