Растения, будучи неподвижными организмами, постоянно подвергаются рискам повреждений своей внешней защитной оболочки. В условиях естественной среды это могут быть механические травмы, атаки патогенов или неблагоприятные внешние факторы. Для защиты от потери воды, проникновения болезнетворных микроорганизмов и других раздражителей растения развили сложные барьерные ткани, одним из наиболее важных из которых является перидерма — наружный слой, формирующийся во время вторичного роста у многих семенных растений. Однако неизбежно возникают ситуации, когда этот барьер нарушается. От того, насколько быстро и эффективно растение распознает и исправляет повреждения, зависит его выживаемость.
В последние годы благодаря многим исследованиям в области молекулярной биологии и физиологии растений ученым удалось раскрыть неожиданные механизмы, которые растения используют для мониторинга состояния своих барьеров. Одним из таких механизмов является сенсорное восприятие газовой диффузии — процесс, при котором растения регистрируют изменение концентраций определённых газов, таких как этилен и кислород, для оценки целостности своей барьерной структуры. Этилен — это газообразный гормон растений, известный своими многочисленными функциями в регуляции роста, развития и стресс-реакциях. При обычных условиях клеточные слои барьера удерживают этилен внутри тканей, ограничивая его распространение в окружающую среду. В случае повреждения барьера, например, при механической травме, этилен начинает выходить через рану.
Одновременно с утечкой этилена происходит проникновение кислорода в ранее защищённые внутренние ткани. Такие изменения приводят к ослаблению сигналов этиленового и гипоксического (низкого содержания кислорода) ответа, что служит растению сигналом о необходимости восстановительных процессов. Исследования на модели Arabidopsis thaliana показали, что после травмирования перидермы корня происходит снижение активации этиленовых сигнальных путей, а также ослабляется гипоксия. Спад в этиленовой сигнализации стимулирует активное деление клеток, особенно переходных, которые будут участвовать в регенерации барьера. Аналогично, доступ кислорода снижает ответ на дефицит кислорода, поддерживая метаболическую активность необходимых клеток и способствуя процессу под новым барьером.
Таким образом, мониторинг газовомерных изменений служит своеобразным индикатором повреждений и запускает последующую регенерацию. Помимо этих двух газовых компонентов, важность их взаимного взаимодействия также подчёркивается. Ученые выявили, что эти два сигнала действуют синергически, усиливая эффект друг друга и обеспечивая более точное и эффективное восстановление структурной целостности. Соответственно, эксперименты на генетических мутантах с нарушенной чувствительностью к этилену или дефектами в системе распознавания гипоксии показывают затруднения в адекватном восстановлении барьеров, что ещё раз доказывает центральную роль этого механизма. Говоря о регенерации, нельзя не упомянуть и о распространении этого механизма на другие части растения.
Среди примечательных открытий – наблюдение того, что подобный способ мониторинга реализован и в стеблях растений, где, несмотря на отсутствие полноправной перидермы, есть другие барьерные ткани, такие как эпидермис с кутикулой. При травмировании эпидермы в стеблях также запускается газовая сигнализация, инициирующая формирование защитного слоя, напоминающего по структуре феллему (пробку). Однако влияние этилена и кислорода в этом случае может отличаться по интенсивности и специфичности, что предполагает существование дополнительных факторов-переносчиков сигналов. Отметим, что механизм газовой диффузии как индикатор повреждений может рассматриваться в более широком контексте адаптации растений к окружающей среде. Этилен давно известен как посредник реакции на уплотнение грунта или переувлажнение, влияя на архитектуру корневой системы и формирование аэренхимы в затопленных почвах.
Добавление к этим знаниям нового механизма использования газов в качестве детектора целостности барьера расширяет понимание универсальной роли газовой сигнализации в растениях. Практическое значение данных исследований огромно. Во-первых, понимание того, как растения контролируют регенерацию барьерных тканей, может послужить основой для селекции и генетического улучшения культур с повышенной устойчивостью к механическим повреждениям и патогенам. Во-вторых, некоторые барьерные ткани, например кора пробкового дуба, имеют экономическую ценность, и знание механизма их образования может способствовать оптимизации методов производства сырья. И, наконец, раскрытие универсальных биологических принципов по сенсорике у растений помогает в разработке биоинспирированных технологий и новых подходов в агрономии и экологии.
В свете описанных феноменов становится понятно, что растения, несмотря на отсутствие нервной системы, обладают изощрёнными способами «ощущения» собственного состояния и окружающей среды. Газовая диффузия и её мониторинг — один из элегантных примеров таких механизмов, позволяющий эффективно управлять процессами восстановления и защиты. Впереди — расширение этой области знаний и поиск новых объёмных сенсорных систем, что позволит глубже понять фундаментальные процессы в жизни растений и использовать их в практических целях.
