Растения в своей повседневной жизни сталкиваются с многочисленными вызовами из окружающей среды, начиная от повреждений механического характера и заканчивая воздействием патогенов и неблагоприятных климатических условий. Для защиты внутренних тканей растения формируют различные барьеры – эпидермис, кутикулу, перидерму и другие структуры, обеспечивающие сохранность воды и предотвращающие проникновение болезнетворных организмов. Однако, чтобы эффективно выполнять свои функции, эти барьеры должны сохранять целостность. Любое нарушение такого барьера ставит под угрозу выживание растения. Вопрос о том, каким образом растения отслеживают и реагируют на повреждение внешних слоев, долгое время оставался одной из загадок ботаники.
Совсем недавно ученые сделали важнейшее открытие, показав, что мониторинг целостности защитных тканей растения осуществляется через восприятие диффузии газов, таких как этилен и кислород. Эти два газа играют особую роль в регуляции физиологических процессов и служат сигналами, информирующими клетки о состоянии внешней оболочки. В нормальных условиях слой перидермы или эпидермиса ограничивает диффузию газов между внутренними тканями и окружающей средой, поддерживая стабильный уровень этилена и создавая гипоксическую среду из-за низкого доступа кислорода. При повреждении барьера происходит утечка этилена наружу и одновременный приток кислорода внутрь тканей. Эти изменения воспринимаются растением, и именно они запускают программу регенерации поврежденного барьера.
Исследования, проведённые на модели растения Arabidopsis thaliana, продемонстрировали, что после ранения корневой перидермы концентрация этилена у места повреждения снижается, что приводит к ослаблению этиленовой сигнализации. Параллельно вмирает гипоксия, и кислород проникает внутрь, уменьшая активность гипоксических сигналов. Такой сдвиг баланса газов активирует гены, ответственные за образование новых слоев клеток перидермы и суберина, полимерного вещества, которое образует защитный слой в стенках клеток пеллемы – наружного слоя перидермы. С течением времени эти процессы приводят к восстановлению барьерной функции. Именно диффузия газов выступает своеобразным индикатором существования повреждения.
Когда рана зарастает и барьер восстанавливается, разрыв прекращается, газовый обмен возвращается к исходному состоянию, а сигналы, инициировавшие регенерацию, подавляются. Таким образом, растение не только запускает механизм ремонта, но и точно знает, когда его завершить. Этилен – это гормон роста, который в растениях регулирует множество процессов. Его способность накапливаться в условиях ограниченной диффузии газа делает его идеальным сигналом для оценки состояния окружающей среды и внутренних повреждений. При повреждении перидермы этилен быстро уходит из тканей, снижая уровень его воздействия на клетки, что стимулирует активность генов, ответственных за защиту и регенерацию.
Более того, экспериментальные добавления этилена или его предшественника 1-аминокарбоксиловой кислоты (ACC) замедляют или подавляют перидермное восстановление, подтверждая ингибирующую роль этилена в процессе регенерации. Кислород, наоборот, в норме почти не поступает в глубинные ткани из-за плотного слоя суберинизированных клеток перидермы. Эти внутренние области преимущественно существуют в условиях гипоксии, которая регулирует работу определённых метаболических и сигнализационных путей. При повреждении барьера кислород начинает поступать в ткани, снижая гипоксическую сигнализацию и активируя развитие защитных структур. Ученые продемонстрировали, что искусственное поддержание низкого уровня кислорода замедляет регенерацию, а мутации, которые приводят к постоянной активации гипоксических сигналов, нарушают нормальное восстановление перидермы.
Таким образом, два газа действуют совместно, дополняя и усиливая свои эффекты. Высокая концентрация этилена и усиленные гипоксические сигналы предотвращают регенерацию, а их снижение благодаря утечке и притоку кислорода, соответственно, запускает процесс восстановления барьера. Интересно, что изучались не только корни, но и надземные части растения. В побегах Arabidopsis, где главным барьером является эпидермис с кутикулой, ранение также приводит к формированию слоев, напоминающих по строению пеллему. Здесь также наблюдается влияние диффузии газов на восстановление, хотя гипоксические сигналы играют менее заметную роль.
Этилен и, возможно, другие летучие вещества уходят из павших в рану тканей, сигнализируя о повреждении и способствуя формированию новых защитных слоев. Открытия о том, что растения используют диффузию газов для контроля целостности барьеров, имеют важное значение для понимания их адаптивных механизмов и защиты. Это новый взгляд на то, как растения успешно справляются с повреждениями без наличия нервной системы и мобильных иммунных клеток, используя химические и физические свойства имеющихся молекул в воздухе и внутри тканей. Данное знание открывает перспективы для сельского хозяйства и биотехнологий. Например, можно подумать о способах стимулирования или подавления регенерации защитных слоев у культурных растений для улучшения их устойчивости к повреждениям и инфекциям.
