Растения постоянно взаимодействуют с окружающей средой и подвергаются множеству стрессовых факторов, включая повреждения тканей и атаки патогенов. Для защиты своих внутренних структур многие семенные растения формируют периодерму – специализированный многослойный барьер, предотвращающий потерю воды и проникновение возбудителей болезней. Периодерма состоит из клеток феллемы (пробка), пхеллогена и пхеллодермы, которые совместно создают надёжную защиту. Однако этот барьер подвержен повреждениям при механических травмах, и успешное восстановление целостности периодермы является жизненно важным для выживания растения. До недавнего времени механизм, позволяющий растениям распознавать повреждение своей периодермы и инициировать процесс её регенерации, оставался малоизученным.
Новейшие исследования на примере Arabidopsis thaliana продемонстрировали удивительную стратегию – растения чувствуют нарушение целостности барьера через изменение концентраций газов, в частности этилена и кислорода, за счёт их диффузии в месте раны. Подобно тому, как люди ощущают боль при повреждении кожи, у растений работает сложная система сигнализации, которая опирается на физические свойства газовых молекул. В нормальных условиях периодерма ограничивает газообмен, удерживая этилен внутри тканей и поддерживая низкий уровень кислорода, что создает локальные условия физиологической гипоксии. При повреждении барьера этилен начинает выходить наружу через раневую поверхность, а кислород, напротив, проникает внутрь. Эти изменения приводят к снижению сигнальных путей этиленового и гипоксического ответа внутри ткани, что и становится сигналом для запуска процессов регенерации периодермы.
Этилен – растительный гормон газа, играющий ключевую роль в регуляции роста, развития и реакции на стресс. Его скапливание вследствие ограниченной диффузии обычно воспринимается растением как индикатор неблагоприятных условий, например, уплотнения почвы или затопления. В случае ранений периодермы этилен, ранее накопленный в тканях, начинает вытекать через повреждённый участок, что снижает локальный уровень этиленовой сигнализации. Управляемое снижение этой сигнализации способствует активации экспрессии генов, отвечающих за синтез компонентов периодермы, таких как пероксидазы и белки, связывающиеся с лизоподобными кислотами. В результате запускается серия клеточных делений и дифференцировок, восстанавливающих барьер.
Помимо этилена, кислород играет не менее важную роль. Обычно внутренние ткани, окружённые неповрежденной периодермой, находятся в состоянии физиологической гипоксии из-за ограничения газообмена. Это поддерживает активность определенных гипоксически регулируемых генов, таких как PLANT CYSTEINE OXIDASE (PCO). При повреждении барьера кислород свободно поступает в ранее защищённые ткани, снижая активность этих генов. Установлено, что снижение гипоксического ответа является необходимым условием для правильной регенерации периодермы, так как постоянное поддержание гипоксии препятствует формированию суберизованных клеток и новых слоёв пробки.
Интересно, что этилен и кислород действуют совместно, усиливая влияние друг друга на процесс восстановления барьера. Одновременное повышение сигнальной активности этиленового и гипоксического путей значительно ослабляет регенерацию, тогда как их снижение способствует восстановлению. Такое взаимодействие позволяет растению точно регулировать процесс восстановления и завершать его сразу после закрытия повреждений, восстанавливая прежний баланс сигналов. Открытие данного механизма имеет значение не только для понимания фундаментальных процессов развития растений, но и обладает большим потенциалом для сельского хозяйства и биотехнологий. Например, регенерация периодермы жизненно важна для защиты корней от патогенов и потери влаги, что напрямую влияет на урожайность и устойчивость культур.
Понимание ролей газовой диффузии и связанных с ней сигналов может помочь разработать новые агротехнологии, направленные на улучшение жизнестойкости растений и ускорение их восстановления после повреждений. Кроме корней, подобные процессы были зафиксированы и в стеблях растений. В ответ на механическое повреждение покрывающий эпидермис утрачивает целостность, и растения формируют новый защитный слой, который также регулируется через диффузию газов. Однако роль гипоксии в этом случае проявляется менее выраженно, а сам процесс более зависим от других факторов. Еще одним важным аспектом является способность растений использовать газовую диффузию как универсальный универсальный механизм мониторинга различных типов барьерных тканей.
В отличие от других систем, основанных на рецепторах и пептидных сигналах с точечной локализацией, диффузионный механизм не требует специфической пространственной организации и может быстро реагировать на потери барьерной функции по всей поверхности повреждения. Таким образом, исследования подтверждают, что растения обладают «газовыми рецепторами», которые измеряют концентрацию ключевых газов, позволяя им быстро распознавать нарушения в защите и эффективно запускать процесс восстановления. Эта уникальная стратегия контроля целостности биологических барьеров демонстрирует невероятную адаптивность и сложность растительных систем. Подводя итог, мониторинг целостности периодермы через газовую диффузию является жизненно важным процессом в развитии и защите растений. Этилен, накапливающийся внутри тканей, и кислород, ограниченный в доступе, становятся сигналами для включения или подавления регенеративных механизмов.
Нарушение барьера меняет газовый баланс в повреждённой области, что инициирует восстановительные процедуры, а затем эти процессы регулируются возвратом к исходным условиям газовой среды. Понимание этого механизма открывает новые пути для улучшения здоровья растений и их приспособления к окружающей среде, а также расширяет знания о том, каким образом живые организмы взаимодействуют с физико-химическими параметрами своей среды во время регенерации и развития.
