Растения, как неподвижные организмы, вынуждены развивать сложные механизмы защиты и регенерации, чтобы выживать в условиях постоянно меняющейся среды. Одним из важнейших элементов их жизнедеятельности является сохранение целостности внешних барьеров, которые обеспечивают защиту от потери воды, проникновения патогенов и механических повреждений. Недавно учёные открыли, что растения способны контролировать целостность своих барьеров, используя уникальный механизм — восприятие диффузии газов, таких как этилен и кислород. Этот процесс играет ключевую роль в регенерации защитных тканей и формировании новых барьеров при повреждениях. Защитные ткани растений представлены несколькими типами, среди которых особое значение имеет перидерма – слой, который образуется во время вторичного роста и выполняет функцию внешнего барьера.
В состав перидермы входят несколько слоёв клеток: пхеллем (пробка), пеллоген и пеллодерма. Пхеллем отличается от остальных тем, что его клетки выделяют лигнин и суберин, что обеспечивает физическую и химическую защиту от внешних факторов. Однако, несмотря на свою прочность, перидерма уязвима для механических повреждений, которые неизбежно возникают в природе. Главный вопрос, который долгое время оставался без ответа, заключался в том, каким образом растения распознают повреждения на уровне тканей и запускают процессы регенерации. Ответ на него был обнаружен в недавнем исследовании с использованием модели Arabidopsis thaliana – именно этот вид стал ключевым для изучения механизма восприятия газовой диффузии.
Согласно исследованиям, при повреждении перидермы происходит изменённый газообмен: этилен, который в нормальных условиях скапливается внутри тканей, начинает выходить через рану, а кислород, наоборот, поступает внутрь. Такое изменение концентрации газов меняет сигналы внутри клеток – снижается сигнализация этилена и одновременно ослабляется сигнал гипоксии (дефицита кислорода). Именно это ослабление сигналов является пусковым механимом для активации регенеративных процессов в тканях. Уровень этилена в растениях традиционно ассоциируется с ответом на стрессовые факторы и развитием. При нормальной целостности барьера этилен задерживается в тканях, создавая высокую концентрацию, которая подавляет экспрессию генов, связанных с развитием перидермы.
После повреждения, когда этилен выпускается через рану, снижается его сигнализация, что даёт "зеленый свет" клеткам на запуск процессов регенерации. Это удивительное свойство позволяет растениям чувствовать не только сам факт повреждения, но и степень проникновения среды внутрь тканей. Не менее важен и кислород, который в целостных губчатых слоях с трудом проникает вглубь тканей, создавая физиологическую гипоксию. Повреждение барьера открывает путь кислороду к внутренним клеткам, что приводит к снижению гипоксического сигнала. Ослабление гипоксии также стимулирует активацию регенеративных механизмов.
Интересно отметить, что этилен и кислород действуют совместно и дополняют друг друга: снижение сигнализации этилена и гипоксии приводит к синергетическому увеличению регенерации перидермы. При этом отдельное воздействие каждого газа оказывает лишь умеренный эффект. Таким образом, восприятие диффузии газов — это своего рода интегративный внутренний датчик, позволяющий растению адекватно контролировать и восстанавливать целостность барьера. Для подтверждения этой гипотезы были проведены многочисленные эксперименты с использованием генетических линий Arabidopsis, реагирующих на этилен и гипоксию, а также химических модификаторов, таких как ацетилена-циклопропан-1-карбоксилат (ACC) — предшественник этилена. Обработка ACC после повреждения снижала регенерацию перидермы, что свидетельствует о том, что высокий уровень этилена тормозит этот процесс.
Кроме того, эксперименты с герметизацией ран с помощью воска или вазелина, препятствующими выходу и входу газов, также подавляли регенерацию, что дополнительно поддерживает значимость газового обмена. Другим важным аспектом является то, что после завершения регенерации барьер восстанавливает газообмен, концентрации этилена и кислорода возвращаются к исходному уровню. Это становится сигналом для прекращения деления и дифференциации клеток, отвечающих за формирование перидермы. Таким образом, механизм контроля целостности работает как замкнутая обратная связь, обеспечивая баланс между защитой и регенерацией. Необходимо отметить, что описанный механизм действует не только в корнях, но и в надземных органах.
В частности, в побегах арабидопсиса при повреждении эпидермиса образуются схожие пробковидные структуры, и в этих случаях также наблюдается диффузия газов, регулирующая процесс восстановления барьера. Однако роль гипоксии в побегах менее выражена, что объясняется различиями в строении и газообмене между корневой и надземной тканями. Помимо фундаментального биологического интереса, понимание механизма контроля целостности барьеров с помощью газовой диффузии имеет практическое значение. Перидерма и подобные ей защитные ткани встречаются у многих видов деревьев и плодовых культур, от корковых дубов до картофеля и яблонь. Улучшение регенеративных процессов может повысить устойчивость растений к механическим повреждениям, а значит и увеличить урожайность, качество плодов и срок хранения.
Кроме того, процесс образования пробки — важный фактор в промышленном производстве, например, корки для вина, что делает данное исследование актуальным и для агроиндустрии. В экологическом контексте способность растений эффективно восстанавливать барьеры через восприятие газовой диффузии важна для адаптации к неблагоприятным факторам, включая механические повреждения от ветра, животных или человека, а также к атакам патогенов, распространяющихся через раны. На молекулярном уровне дальнейшие исследования должны быть направлены на выявление предполагаемых рецепторов и сигнальных путей, которые интерпретируют изменения газовых концентраций. Также интересным направлением является изучение взаимодействия сигналов газов с гормонами и пептидными факторами, которые потенциально обеспечивают более точечную локализацию регенеративных процессов. В заключение можно сказать, что растения демонстрируют удивительную способность контролировать целостность своих защитных барьеров посредством чувствительного мониторинга диффузии газов.
Это представляет собой элегантный, энергоэффективный и универсальный механизм, который позволяет быстро реагировать на повреждения и поддерживать жизнеспособность. Понимание и дальнейшее изучение этого процесса открывает новые перспективы для биологии растений и сельского хозяйства.
