Растения, несмотря на свою неподвижность, обладают удивительными механизмами адаптации и защиты от неблагоприятных воздействий окружающей среды. Одним из ключевых факторов их выживания является способность поддерживать целостность защитных барьеров, таких как перидерма — многослойный наружный покров, который отделяет внутренние ткани от внешней среды. Перидерма выполняет важную функцию, препятствуя потере воды и проникновению патогенов. Но как растения узнают о повреждении этого барьера и запускают процессы его восстановления? Ответ на этот вопрос проливает новый свет на понимание того, как происходит мониторинг целостности барьера в растениях посредством восприятия диффузии газов, таких как этилен и кислород. Новейшие исследования на модели Arabidopsis thaliana палочковидно показали, что механизм контроля целостности перидермы основан на изменениях в концентрации и диффузии именно этих газов.
Перидерма служит эффективным барьером для газообмена, и при её повреждении происходит утечка эндогенного этилена из тканей, а кислород начинает проникать внутрь, изменяя локальный газовый баланс. Такой сдвиг в газовом составе внутри тканей воспринимается растением как сигнал для активации регенерации перидермы. Изучая корни Arabidopsis, учёные проводили эксперименты по моделированию травм, разрезая их вдоль. Вскоре после повреждения наблюдалась индукция специфических генов, связанных с пеллем, внешним клеточным слоем перидермы. Через сутки после травмы проявлялись признаки формирования инициирующих клеток пеллемы — пеллогенов, а спустя четыре дня на месте повреждения формировался новый слой с отложением суберина и лигнина, свидетельствующий о восстановлении барьера.
Ключевым моментом смещения газового баланса является поведение этилена — растения производят этот газ как гормон стресса, который регулирует рост и развитие. В нормальных условиях этилен накапливается внутри тканей, так как перидерма препятствует его утечке из растения. Однако при повреждении барьера происходит существенная утечка этилена в окружающую среду, что приводит к снижению его концентрации внутри тканей. Учёные подтвердили, что уровень этиленовых сигналов понижается в районе повреждения, что сопровождается активацией регенерационных процессов. Интересно, что искусственное повышение уровня этилена с помощью его предшественника ACC тормозило активацию генов перидермы и образование суберинизированных клеток в месте травмы.
Это может показаться парадоксальным, но сложившаяся модель объясняет такое явление тем, что снижение этиленового сигнала после утечки через рану и является необходимым условием для запуска восстановления барьера. В дополнение к этилену существенный фактор — кислород. Перидерма ограничивает поступление кислорода внутрь тканей, создавая относительно гипоксические условия в зрелых корнях. Повреждение барьера способствует проникновению кислорода вглубь тканей, что снижает уровень гипоксии. Сниженный гипоксический сигнал также оказывает положительное влияние на регенерацию перидермы.
В лабораторных условиях при удержании растений в условиях низкого содержания кислорода или при сохранении высокого гипоксического сигнала процессы регенерации тормозились. Этилен и кислород действуют в тандеме, их комбинация оказывает аддитивный эффект на процессы регенерации. У растений с нарушенной способностью к распознаванию кислорода или этилена наблюдались выраженные дефекты в формировании нового барьера. В то же время восстановление нормального газового баланса после заживления травмы служит сигналом к завершению регенерации и стабилизации новой перидермы. Подобная система мониторинга целостности барьера за счёт газовой диффузии была обнаружена не только в корнях, но и в стеблях растений.
Несмотря на различия в типах барьера — в стеблях это эпидермис с восковым слоем, а не перидерма — процесс контроля через газовую диффузию является похожим. Исследование показало, что и в стеблях при повреждении происходит утечка этилена и проникновение кислорода, запускающих восстановительные процессы. Однако роль именно этилена и гипоксии в регенерации стеблевого барьера менее выражена, вероятно, из-за участия дополнительных факторов, таких как другие летучие соединения или фитогормоны. Этот газовый механизм контроля целостности барьера отличается от ранее описанных систем, основанных на восприимчивости к пептидным сигналам и локальной активации рецепторов. Диффузия газов не требует строго пространственной регуляции, а действует как глобальный сигнал о нарушении барьера и изменении внутреннего газового состава тканей.
Газовый механизм создает «разрешающий фон», на котором другие сигналы и факторы могут более эффективно запускать программы регенерации. Понимание этого механизма имеет не только фундаментальное значение для науки, но и практическую ценность. Перидерма и другие барьеры растений обеспечивают защиту от высыхания и инфекций, что критически важно для сельскохозяйственных культур и лесных пород. Более глубокое знание процессов регенерации помогает разработать стратегии для повышения устойчивости растений к механическим повреждениям и заболеваниям. Кроме того, учитывая, что этилен участвует и во многих других адаптивных реакциях растений, таких как рост в плотных почвах и ответ на затопление, газовый мониторинг состояния барьера вписывается в общую концепцию использования растений газовых сигналов для взаимодействия с окружающей средой и адаптации к ней.
С дальнейшим развитием технологий газового анализа, молекулярной биологии и визуализации сигналов новых генетических репортеров учёные планируют уточнить детали взаимодействия газовых сигналов с другими гормональными и механическими факторами, а также выявить возможные источники других летучих сигналов, участвующих в контроле целостности барьера. В итоге можно констатировать, что растения обладают встроенной газовой системой мониторинга своих защитных покровов. Изменение концентраций ключевых газов — этилена и кислорода — служит надёжным и оперативным сигналом для запуска комплексных процессов регенерации, обеспечивающих восстановление барьера и, как следствие, выживаемость и здоровье растения.
