Растения, как организмы, неподвижно закреплённые в определённой точке, постоянно сталкиваются с угрозами из окружающей среды. Для защиты от потерь влаги и вторжений патогенов они формируют барьеры — специализированные структуры, такие как перидерма и эпидермис с кутикулой. Одной из важнейших задач растений является мониторинг целостности этих барьеров и их своевременное восстановление при повреждении. Новейшие исследования в области растительной физиологии показали, что растения используют уникальный способ чувствования состояния своих барьеров — они «считывают» диффузию газов, главным образом этилена и кислорода, через повреждённые участки. Перидерма — это внешний защитный слой, который образуется во время вторичного роста у многих семенных растений.
Она состоит из нескольких клеточных типов: пробка (феллема), камбий пробки (пеллоген) и феллодерма. Феллема выделяет вещества, такие как лигнин и суберин, формирующие прочный непроницаемый барьер. При повреждении перидермального слоя эти клеточные структуры перестраиваются, чтобы вновь восстановить защитную функцию. Однако ключевой вопрос, который долгое время оставался без ответа, — как именно растение узнаёт о нарушении целостности и решает начать регенерацию? Ответ на этот вопрос дал эксперимент с растениями модельного вида Arabidopsis thaliana. Учёные искусственно травмировали перидерму корней и наблюдали за выражением специфических генов, связанных с формированием защитного слоя.
Было установлено, что после повреждения из ранки выходит этилен — важный газообразный фитогормон, регулирующий развитие и стрессовые реакции растений. Одновременно в повреждённый участок начинает проникать кислород, что нарушает обычно существующий в глубоких тканях уровень внутренней гипоксии. Такие изменения в концентрации газов воспринимаются растительными клетками и служат сигналом для запуска регенерационных процессов. Концентрация этилена в норме внутри перидермальных тканей находится на высоком уровне, так как лигнин и суберин эффективно ограничивают его диффузию наружу. После травмы газ уходит в окружающую среду, что снижает локальную концентрацию внутри тканей и усиливает активность этилен-сигнальных путей.
Изменение баланса этилена сигнализирует о нарушении барьера, активируя гены, ответственные за восстановление пробки. Кислородная составляющая играет в контроле целостности не менее важную роль. Глубокие слои корня находятся в состоянии физиологического гипокса вследствие непроницаемости перидермального слоя. При повреждении кислород начинает проникать внутрь, снижая гипоксическую сигнализацию клеток. Это также способствует индукции регенерационных генов и инициирует деление клеток камбия пробки, формирование и дифференцировку новых клеток пробки.
Интересно, что оба этих сигнала — снижение этиленовой и снижение гипоксической сигнализации — действуют совместно и аддитивно, средство обеспечения точного контроля над запуском и завершением регенерационного процесса. При восстановлении перидермы диффузия газов возвращается к исходной норме, сигнализация затухает, и процесс обновления ткани прекращается. Ранее было принято считать, что этилен преимущественно стимулирует адаптивные реакции растения и ускоряет процессы регенерации. Однако опыт с обработкой травмированных растительных тканей показывает обратное: избыточное поступление этилена к ранке препятствует формированию нового защитного слоя. Это связано с тем, что растения чувствуют не абсолютное количество этилена, а его динамику и локальное распределение, позволяющее оценить целостность барьера.
Такая система контроля с помощью газовой диффузии является универсальной и применяется не только к корням, но и к надземным органам. В стеблях Arabidopsis при повреждении эпидермиса и удаления кутикулы также наблюдается активация генов, связанных с перидермообразованием, и появление суберинизированных клеток. Закрытие ран и восстановление барьера вновь корректируют уровни кислорода и этилена, что прекращает активность регенерационных путей. Использование газовой диффузии в качестве сигнала для контроля целостности барьера весьма эффективно для растений. Газы способны быстро распространяться, обеспечивая оперативную информацию с повреждённого участка.
Это позволяет растению быстро реагировать на угрозы, активируя защитные механизмы только там, где это действительно необходимо. Понимание этого механизма открывает новые перспективы для сельского хозяйства и биотехнологии. Целенаправленное регулирование факторов, влияющих на этиленовую и кислородную среду вокруг корней и других органов, может повысить устойчивость растений к механическим повреждениям, улучшить процессы заживления ран и препятствовать проникновению патогенов. Кроме того, изучение подобных систем сигнализации поможет в разработке генетически модифицированных культур с повышенной способностью к регенерации и адаптации. Современные методы, такие как создание специфических репортерных линий с использованием флуоресцентных маркеров, позволили учёным отслеживать динамику сигнальных путей в живых тканях с высоким разрешением.
Это дало возможность детально изучить, как именно изменяется экспрессия ключевых генов под воздействием изменения газовой среды. Также стоит отметить, что газовая сигнализация дополняется и другими сигналами — гормональными, пептидными и механическими, которые вместе образуют сложную сеть регуляции процессов формирования и восстановления барьеров. Углублённое изучение взаимодействия разных систем позволит разработать комплексные подходы к управлению ростом и защитой растений. В заключение, способность растений мониторить целостность своих барьеров при помощи диффузии газов является элегантным примером адаптации к окружающей среде. Этот механизм обеспечивает быстрый и эффективный контроль за состоянием внешних тканей, что критично для выживания и здоровья растений в постоянно меняющихся условиях.
Современные научные достижения в этой области открывают значительные возможности для использования этих знаний в практике — от повышения урожайности до разработки новых методов защиты культурных растений.
