Барьерные ткани растений выполняют жизненно важную функцию разделения и защиты внутренних структур от внешних неблагоприятных условий. В частности, перидерм, формирующийся во время вторичного роста у многих семенных растений, является основным защитным слоем, препятствующим потере воды и проникновению патогенов. Тем не менее, подобно любому физическому барьеру, он подвержен повреждениям и ранениям. Это подвергает растения дополнительному риску, поскольку утрата целостности защитной оболочки может привести к потере влаги и заражению. Однако растения обладают уникальной способностью не только распознавать нарушения в своей защитной структуре, но и эффективно восстанавливать ее.
Основываясь на последних научных открытиях, стало известно, что механизм контроля и регенерации перидермы напрямую связан с восприятием диффузии газов, таких как этилен и кислород, в тканях растений. Этилен – это уже давно известный газообразный гормон растений, играющий ключевую роль в регуляции роста, развития и реакции на стресс. Внутри здоровой и неповрежденной перидермы уровень этилена поддерживается за счет ограниченной диффузии наружу. Однако при повреждении защитного слоя этилен неожиданно начинает выходить через рану, вызывая снижение уровня его внутритканевого сигнала. В то же время кислород, который обычно ограничен в проникновении из-за плотного слоя перидермы, поступает внутрь тканей через повреждение, что приводит к уменьшению гипоксического сигнала – реакции клеток на низкий уровень кислорода.
Именно такое взаимодействие газов и их сигналов служит триггером для запуска процессов регенерации перидермы. Растение «чувствует» утрату барьерной целостности по изменению баланса этих газов, что активирует экспрессию специфических генов, ответственных за восстановление защитной ткани. После успешного регенеративного процесса накопление этилена и гипоксический статус возвращается к исходным значениям, сигнализируя завершение восстановления и восстановления целостности барьера. Таким образом системы ощущения этилена и кислорода работают как двойной датчик, обеспечивающий надежность и точность контроля целостности. Исследования на примере растения Arabidopsis thaliana показали, что ранние этапы восстановления барьера сопровождаются активацией генов, связанных с образованием пхелемных клеток – внешнего слоя перидермы, богатого лигнином и суберином, веществами, создающими непроницаемую защитную оболочку.
Нарушение газового баланса регулирует активность этих генов, что ведет к формированию новых защитных тканей непосредственно в зоне повреждения. Уникальность механизма заключается еще и в том, что снижение этиленового сигнала, происходящее после выхода этилена через рану, положительно влияет на регенерацию перидермы. При искусственном повышении уровня этилена или его ингибировании наблюдается обратный эффект – восстановление барьера замедляется или становится дефектным, что подтверждает важную роль газового контроля. Кислород также играет ключевую роль: проникновение кислорода внутрь тканей уменьшает гипоксическую сигнализацию, что вкупе с изменением этиленового ответа способствует успешной регенерации. При гипоксических условиях или при нарушении способности клеток «видеть» уровень кислорода, развитие перидермы происходит с задержкой или неполноценно.
Отслеживание газовой диффузии служит растениями универсальной стратегией контроля целостности барьера. Аналогичные процессы были обнаружены не только в корнях, но и в гибких надземных органах – стеблях, где нарушение эпидермиса и кутикулы также приводит к быстрому восстановлению защитного слоя с участием газовых сигналов. Однако роль этилена и кислорода в надземных тканях менее выражена, что свидетельствует о возможном привлечении дополнительных сигнальных молекул. Помимо фундаментальной важности для понимания регенерации и защиты растений, осознание описанного механизма имеет и практическую сторону. Учитывая экономическую ценность каждой культуры и необходимость защиты от вредных воздействий внешней среды, механизмы, улучшающие естественную способность растений восстанавливаться, могут стать эффективной биотехнологической основой для повышения устойчивости сельскохозяйственных и лесных растений.
