Растения живут в постоянно меняющейся и порой агрессивной среде, где защита от внешних воздействий является критически важной для их выживания. Одним из ключевых элементов этой защиты выступает барьерная ткань — перидерма, которая формируется во время вторичного роста и играет роль своеобразных «бронежилетов», предотвращающих потерю воды и проникновение патогенных организмов. Несмотря на то что перидерма известна биологам давно, механизмы, которые растения используют для поддержания её целостности и регенерации после повреждений, только начинают раскрываться благодаря современным исследованиям, в частности на модели Arabidopsis thaliana. Новые данные свидетельствуют о том, что главную роль в распознавании нарушений барьера играют газы, и в частности процессы их диффузии. Перидерма состоит из нескольких слоев клеток — пеллемы (или корки), пеллогена и пеллодермы, при этом внешний слой пеллемы преобразуется в эффективно непроницаемый каркас, укрепляемый лигнином и суберином.
Эти вещества обеспечивают не только механическую прочность, но и создают мощный водонепроницаемый барьер. Однако в случае травмы растениям жизненно необходимо быстро обнаружить нарушение этого барьера и инициировать процесс восстановления. Отсюда становится понятно, что стимулы к регенерации должны исходить из изменений в условиях среды и состояния тканей, вызванных повреждением. Газы — этилен и кислород, которые постоянно циркулируют внутри тканей растений, оказываются ключевыми медиаторами этого процесса. Этилен — это фитогормон, газообразное вещество, регулирующее множество аспектов роста и реакции на стресс.
Прицел этого гамбита меняется радикально при повреждении перидермы — обычно в неповреждённых тканях он скапливается внутри, так как внешняя оболочка непроницаема. Повреждение приводит к утечке этилена наружу, снижая его концентрацию внутри и одновременно позволяя кислороду проникать внутрь тканей, что меняет баланс газов и запускает сигнальные каскады, ответственные за восстановление. Исследования показали, что после травмы этилен фактически «утекает» через раны, что приводит к ослаблению этиленового сигнала в глубинных слоях растения. Парадоксально, но снижение уровня этиленового сигнала способствует активации регенеративных процессов. Точная регенерация начинается с активации маркеров перидермы, таких как PER15, и далее наблюдается усиленное деление клеток пеллогена, которое приводит к формированию нового слоя пеллемы и восстановлению защитного барьера.
Таким образом, вытекание этилена — это один из механизмов, по которым растения «чувствуют» повреждения. Одновременно с этим, повреждение приводит к проникновению кислорода в ткани, которые обычно находятся в условиях физиологической гипоксии из-за непроницаемости пеллемы. Кислород, проникая внутрь, снижает уровень гипоксического сигнального ответа. Аналогично этилену, это ослабление гипоксии стимулирует регенерацию. Обе эти газовые сигнальные системы — снижение этиленового и гипоксического сигналов — работают совместно, усиливая регенерацию.
Эксперименты с мутантами, в которых гипоксический сигнал стабильно активирован, демонстрируют затруднения в формировании новых слоёв пеллемы, а одновременное увеличение этиленового и гипоксического сигналов практически блокирует восстановление барьера. Важно отметить, что процесс диффузии газов через повреждение — это универсальный, естественный и эффективный способ мониторинга целостности барьера. Заглушение ран при помощи воска, вазелина или других герметиков приводит к удержанию этилена внутри тканей и подавлению кислородного потока, что тормозит регенерацию. Следовательно, растения не только реагируют на химические сигналы напрямую, но и используют физические изменения газового состава в своей ткани как сигнал к действию. Этот механизм обеспечивает не только запуск регенерации, но и её завершение: по мере восстановления целостности барьера диффузия газов вновь ограничивается, и сигнальные уровни возвращаются к исходным, что глушит регенеративные процессы.
Подобные процессы обнаружены не только в корнях, где формируется перидерма, но и в стеблях, где повреждения вызывают образование сходных защитных слоёв. Исследования подтвердили, что и в надземных органах растения применяют механизм мониторинга целостности барьера через диффузию газа, хотя конкретные роли этилена и кислорода могут варьироваться между органами и видами. Это открытие также хорошо согласуется с более ранними исследованиями о том, как растения воспринимают причину стресса через газовую среду. Например, накопление этилена в почве при уплотнении или водопогружении растений регулирует развитие корней и адаптивные ответы. Таким образом, чувствование диффузии газов выступает как общая стратегия у растений для взаимодействия с окружающей средой и регулирования своих жизненных процессов.
С точки зрения практического применения, понимание механизмов регенерации барьера у растений даёт перспективы на развитие сельского хозяйства и лесного хозяйства. Например, способность ускорять и контролировать регенерацию перидермы у деревьев, клубней или плодов может помочь в защите растений от потери воды и заражения патогенами при повреждениях, влияющих на урожайность и качество продукции. Более того, барьерные ткани некоторых растений, такие как корка дуба, используются в промышленности, и манипулирование их образованием улучшит экономическую ценность. Таким образом, современная биология растений расширяет представления о том, как живые организмы используют базовые физические принципы, как диффузия газов, для сложного биологического контроля. Газовая сигнализация является неотъемлемой частью комплекса инструментов, которыми владеют растения для диагностики своего состояния и запуска адаптивных восстановительных процессов.
Перспективы дальнейших исследований лежат в детальном изучении взаимодействия газов с другими сигналами, такими как пептиды, гормоны и механические стимулы, а также в том, как этот комплекс интегрируется для точного пространственного и временного контроля формирования барьера. В итоге газовая диффузия через повреждения барьерных тканей — это эффективный и универсальный индикатор для восстановления защитных слоёв в растениях. Понимание этой биологической системы не только углубляет фундаментальные знания, но и открывает широкие возможности для практического улучшения устойчивости и производительности сельскохозяйственных культур и лесных пород.
