Растения постоянно сталкиваются с угрозами окружающей среды, будь то механические повреждения, атаки патогенов или неблагоприятные климатические условия. Для защиты от этих факторов в процессе роста и развития формируются различные барьерные ткани, которые выполняют роль физического и химического щита. Одной из таких структур является перидерма, особенно важная при вторичном росте у многих семенных растений. Сегодня научные исследования все глубже погружаются в изучение механизмов, с помощью которых растения контролируют и восстанавливают эти защитные слои после повреждений. Новейшие данные свидетельствуют, что ключевую роль в этом играют именно газы, проходящие через ткани — этилен и кислород.
Перидерма представляет собой сложную многослойную ткань, состоящую из пеллемы (пробки), пеллогена и пеллодермы. Пеллема образуется из дочерних клеток делящихся клеток пеллогена и отличается от внутренних тканей своей плотностью и наличием в клеточных стенках липких веществ – лигнина и суберина. Эти вещества формируют непроницаемый слой, который эффективно препятствует проникновению воды и патогенов внутрь растения. Однако при механических повреждениях, таких как трещины или порезы, целостность перидермы нарушается, и возникает необходимость в её быстрой регенерации. Ученые из Университета Хельсинки и других международных учреждений в своей недавней работе на примере растения Arabidopsis thaliana показали, что именно с помощью газовой диффузии происходит мониторинг состояния перидермы.
Прежде всего, этилен, который является фитогормоном и известен как газ, регулирующий рост и стресс-реакции, аккумулируется внутри тканей при «закрытых» условиях. При повреждении внешнего слоя растения этилен начинает выходить через рану, снижая концентрацию внутри тканей. Одновременно кислород из окружающей среды начинает проникать внутрь через поврежденный участок, меняя физиологические условия клеток. Именно этот баланс снижения этиленового сигнала и повышения кислородного стимулирует процессы восстановления перидермы. Эксперименты доказали, что после ранения растения в корнях происходит снижение сигнала этилена, что способствует активизации экспрессии генов, отвечающих за формирование новых защитных слоев.
Ученые регистрировали, что при нанесении травмы повышается выделение этилена в окружающую среду, что подтверждает утечку газа через повреждение. Если же рана закрывалась с помощью герметизирующих материалов, таких как вазелин или ланолин, регенерация перидермы значительно замедлялась или вовсе не происходила, что объясняется отсутствием изменения газового баланса внутри тканей. Кроме этилена важным фактором оказывается кислород. Здоровые вторичные ткани корня находятся в состоянии функциональной гипоксии, то есть с пониженным содержанием кислорода, вызванным ограничением его диффузии через плотный слой суберина и лигнина. Повреждение перидермы приводит к проникновению внешнего кислорода внутрь ткани, что ослабляет гипоксическую сигнализацию.
Исследования с использованием специфических репортеров гена, активируемого при гипоксии, подтвердили уменьшение гипоксической активности после ранений. Это дополнительно стимулирует восстановительные процессы. В среднем, снижение действия и гипоксического, и этиленового сигналов действует синергетически, максимально способствуя регенерации. Особое внимание уделяется роли сигнальных каскадов и взаимодействию между этиленом и кислородом на молекулярном уровне. В экспрессии генов, ответственных за дифференцировку пробковых клеток, установлено подавление при высокой концентрации этилена, в то время как падение уровня этиленового сигнала способствует их активации.
В то же время кислород, поступающий из окружающей среды, регулирует целый ряд ферментов и транскрипционных факторов, вовлеченных в процессы регенерации и адаптации к измененной среде. Интересно, что аналогичный механизм контроля целостности барьера посредством газовой диффузии был выявлен не только в корнях, но и в надземных органах растений, например, в стеблях. Там при повреждении эпидермы также активируется образование защитных суберизованных клеток, хотя роль кислорода в данных органах менее выражена. Основную функцию во взрослых тканях стебля выполняет именно этилен, утечка которого инициирует восстановительные процессы, что доказывается изменениями уровня сигнала при ранении и блокировке газообмена. Данный механизм мониторинга целостности барьера представляет собой инновационное природное решение, обеспечивающее своевременную реакцию на повреждения и восстановление уязвимых участков.
Он отличается от известных сигнальных схем, использующих локализованные пептидные гормоны и специфические рецепторы, более глобальной и универсальной природой — газообразные молекулы способны быстро диффундировать по тканям, обеспечивая пространственный и временной регуляторный эффект. Применение знаний о газовой диффузии для контроля структурной целостности может иметь значительное значение не только в фундаментальной ботанике, но и в сельском хозяйстве и лесоводстве. Понимание деталей регенерации перидермы позволит разработать новые методы повышения устойчивости культурных растений к повреждениям, улучшить технологии восстанавления после механических воздействий и повысить защиту от патогенов. Также исследование подчеркивает важность роли этилена не только как стимулятора роста или реакции на стресс, но и как сигнальной молекулы с функцией обратной связи в процессах восстановления тканей. Этот фитогормон, накопающийся в замкнутых пространствах, выступает своеобразным индикатором сохранности внешних слоев.
Аналогично кислород, в норме ограниченный к проникновению во внутренние ткани, выступает своего рода сигналом повреждения, стимулируя запуск адаптационных программ. Таким образом, растения обладают сложной и интегрированной системой мониторинга собственного состояния, использующей диффузию газов в качестве опосредованного сигнала повреждений. Эта система позволяет не только инициировать восстановление после травм, но и завершать данные процессы после достижения целостности, обеспечивая баланс между ростом и стабильностью тканей. Новые данные о взаимодействии этиленового и кислородного сигналов открывают перспективы для дальнейших исследований по выявлению других молекул и регуляторных путей, участвующих в поддержании барьерной функции растений. Вероятно, существуют дополнительные механизмы позиционирования и уточнения зон регенерации, гармонично дополняющие общую газовую систему контроля.
В заключение, изучение газовой диффузии как способа восприятия целостности барьерных тканей является важным шагом в понимании адаптивных стратегий растений. Эти молекулярные механизмы обеспечивают растениям высокую витальность и устойчивость, позволяя успешно функционировать и развиваться в динамичной и порой враждебной среде.
