В мире растений барьерные ткани играют жизненно важную роль, обеспечивая защиту внутренних тканей от воздействия внешних факторов, таких как потеря влаги и проникновение патогенов. Одним из ключевых барьеров у многих семенных растений служит перидерма — комплексная внешняя ткань, формирующаяся в процессе вторичного роста. Она состоит из клеток феллемы (пробки), феллогена и феллодермы. Этот барьер не только препятствует проникновению инфекций и снижает испарение, но и поддерживает целостность корня и стебля. Однако, как растения узнают, что их барьер повреждён, и что требуется его восстановление? Новейшие научные исследования раскрывают важный механизм — чувствование изменений в диффузии газов, таких как этилен и кислород, внутри тканей.
Исследования на модельном растении Arabidopsis thaliana показали, что при механическом повреждении перидермы изменяется движение газов сквозь поражённый участок. Этилен, который в норме аккумулируется внутри тканей и оказывает влияние на развитие растения, начинает выходить наружу через рану, а кислород, напротив, проникает внутрь. Такая смена газового баланса становится сигналом к запуску процессов регенерации повреждённой перидермы. Этилен — это газа статист, играющий роль гормона в растениях. Его концентрация и способность диффундировать влияют на рост, развитие и стрессовые реакции.
В здоровых тканях второго порядка этилен запасается внутри, но при раневом повреждении он утекает из ткани, тем самым снижая уровень этиленового сигнала рядом с местом ранения. Это снижение активности этиленового пути запускает регенераторные процессы, инициирующие восстановление перидермы. Интересно, что внешнее добавление этилена или его предшественника ACC подавляет регенерацию, что подтверждает обратную связь между уровнем этилена и необходимостью восстановления барьера. Кислород также участвует в этом механизме. В зрелых тканях перидермы внутренние клетки испытывают физиологическую гипоксию из-за плохой проницаемости внешнего слоя.
Однако при повреждении через рану кислород начинает проникать внутрь, ослабляя гипоксический сигнал. Это смена нарастания кислорода стимулирует процесс формирования новых пробковых клеток — пхеллемы. Молекулы кислорода влияют на активность кислород-чувствительных факторов и ферментов, регулирующих экспрессию генов, необходимых для восстановления барьера. Таким образом, перидерма выполняет функцию газового барьера, а повреждение её целостности приводит к изменению концентраций газов, что воспринимается как сигнал тревоги растением. Восстановление происходит поэтапно: через сутки после повреждения возникает экспрессия маркёрных генов пхеллемы, на второй день появляются признаки деления клеток, похожих на меристему перидермы, а к четвёртому дню формируются новые слои пробковых клеток с характерным отложением лигнина и суберина, обеспечивающих физический барьер.
Для контроля целостности и предотвращения чрезмерного роста регенерируемого слоя растения поддерживают баланс между этиленовым и кислородным сигналами. Как только новые слои перидермы формируются, газовая диффузия возвращается к норме, и сигналы восстанавливают исходные уровни, останавливая дальнейшую регенерацию. Мутации, нарушающие эти сигнальные пути, приводят к проблемам с пробковым слоем и неконтролируемому росту, что подчеркивает важность тонкой регуляции. Любопытно, что данный механизм газового контроля целостности не ограничивается корнями и перидермою. У закрывшихся растений, таких как стебель Arabidopsis, где барьером служит эпидермис с кутикулой, повреждения также вызывают образование пхеллемоподобного слоя.
Секвестрация этих тканей по газовым изменениям является универсальным подходом для контроля повреждений и их восстановления. Хотя роль этилена и кислорода в стеблевой ткани менее выражена, процесс восстановления также зависит от способности растений ощущать газовые маркеры повреждения через диффузию. Понимание механизма газового мониторинга барьеров имеет большое значение не только для фундаментальной биологии, но и для сельского хозяйства и лесного хозяйства. Например, повреждения коры деревьев или клубней существенно влияют на уязвимость растений к высыханию и заболеваниям. Знание процессов, которые регулируют восстановление барьеров, может способствовать развитию способов улучшения заживления ран, повышения устойчивости культур и выращивания сырья с улучшенными свойствами — например, пробкового материала.
Эти открытия также интегрируются в более широкий контекст: растения часто используют газовые сигналы для адаптации к окружающей среде. Этилен как маркер плотности почвы или водного режима регулирует рост и развитие, аналогично сигналам об изменении кислородного режима, влияющим на образование специальных тканей для аэрации. Такая интегративная газовая система сигнализации позволяет растениям быстро и эффективно реагировать на повреждения и неблагоприятные условия. В итоге газовая диффузия выступает для растений как естественный датчик, раскрывающий нарушения целостности их внешних барьеров и позволяющий своевременно запускать процессы регенерации. Эта сложная, но элегантная система подчёркивает удивительную способность растений ощущать и реагировать на мельчайшие изменения в их структуре и окружающей среде.
Продолжение исследований поможет детально разобраться в молекулярных и клеточных механизмах, задействованных в этой системе, а также выявить дополнительные компоненты сигнального каскада, что откроет новые перспективы в области биотехнологии и защиты растений.
