Растения, как и все живые организмы, нуждаются в защите своих внутренних тканей от неблагоприятных факторов окружающей среды. Для этой цели у них развиты специальные барьерные ткани, которые изолируют внутренние структуры от внешних воздействий, таких как патогены, механические повреждения и потеря влаги. Одним из ключевых элементов этой защиты является перидерма — наружный слой тканей, который формируется у многих семенных растений в процессе вторичного роста. Перидерма, состоящая из нескольких типов клеток, таких как пхеллема (пробка), пхеллоген (меристема) и пхеллодерма, выполняет роль физического барьера, обеспечивая гидроизоляцию и защиту от вторжения микроорганизмов. Современные исследования показывают, что растения способны не только формировать эти барьеры, но и «чувствовать» их целостность, используя необычный механизм — восприятие диффузии газов.
Вместо классических сигналов, как изменения гормональных уровней или стрессовые реакции, растения используют сведения о потоке и концентрации газообразных веществ для контроля состояния барьера. Такое открытие предлагает глубокое понимание того, как растения адаптируются к повреждениям и восстанавливают свои защитные функции. В центре внимания находятся два ключевых газовых компонента — этилен и кислород. Этилен, известный как гормон роста и развития растений, при нормальных условиях скапливается внутри тканей, так как перидерма ограничивает его выход наружу. Кислород, напротив, в норме поступает ограниченно из-за барьера и поддерживает в тканях довольно низкие концентрации (гипоксию).
После повреждения барьера эти газовые обмены изменяются: этилен уходит наружу через открытую рану, а кислород проникает внутрь тканей. Такие изменения служат своеобразными сигналами для активации процессов регенерации. Исследования на модельном растении Arabidopsis thaliana продемонстрировали, что после травмы перидермы корней изменяется уровень этиленового и гипоксического сигналов. При ранних этапах повреждения наблюдается снижение этиленовой сигнализации, связанное с утечкой газа, и ослабление гипоксической реакции вследствие увеличенного поступления кислорода. Вместе эти изменения запускают набор генов и клеточных процессов, ответственных за восстановление перидермы, включая активацию деления клеток пхеллогена и дифференцировку пробковых клеток с отложением лигнина и суберина — компонентов, формирующих механическую и химическую защиту.
Проведенные эксперименты включали ткани корней, где с помощью репортерных линий генной экспрессии отслеживалась активность ключевых маркеров перидермы. Раннее повышение активности генов пробковых клеток правильным образом коррелировало с понижением этиленового сигнала и уменьшением гипоксической активности. В то же время искусственное поддержание высокого уровня этиленовой сигнализации, например, путем введения прекурсора ACC (1-аминовциклопропан-1-карбоновой кислоты), подавляло активацию восстановительных процессов, приводя к недостаточному формированию защитного слоя и появлению дефектов в барьере. С другой стороны, поддержание гипоксического состояния также препятствовало восстановлению перидермы. Мутационные растения с постоянной активацией механизмов реакции на гипоксию испытывали трудности при регенерации барьера.
Совместное действие высокого этиленового и гипоксического сигналов практически полностью блокировало процессы регенерации, указывая на необходимость координированного снижения обоих сигналов для успешной защиты. Наблюдения показали, что процесс формирования перидермы не является бесконтрольным и должно существовать обратное регулирование, позволяющее остановить восстановление после достижения необходимых структур. Когда барьер восстанавливается, газообмен возвращается в исходное состояние, концентрация этилена снова повышается, а гипоксия возвращается, что сигнализирует о завершении регенерации и установлении новой, неповрежденной барьерной ткани. Этот механизм газового контроля был выявлен не только в корнях. Веб-сравнения и эксперименты на стеблях Arabidopsis показали, что подобная система мониторинга целостности барьеров работает и в другие органах.
При повреждении кожуры стебля через рану также наблюдается утечка этилена, и при нарушении газообмена предотвращается правильное образование защитной пробковой ткани. Там, однако, роль кислорода оказалась менее значимой по сравнению с корнями, что, возможно, объясняется отличиями в структуре тканей и особенностями барьеров в разных частях растения. Важным открытием является то, что растения используют диффузию газов не только как физиологическую неизбежность, но и как сигнал для регуляции жизненно важных процессов. Точно так же, как в тканях животных молекулы местного действия передают сигналы повреждения или липидный состав поддерживает барьерную функцию кожи, в растениях мобильные газы выполняют роль оповещающих сигналов. Это необычный и элегантный способ контроля целостности с применением малых и быстро диффундирующих молекул.
Практическое значение данного открытия трудно переоценить. Знание о том, что процесс регенерации барьера контролируется уровнем газов, способно помочь в селекции и биотехнологии сельскохозяйственных растений. Устойчивость к механическим повреждениям, адаптация к патогенам и общая способность к быстрой регенерации напрямую влияют на урожайность и долговечность культурных растений. Манипуляции с этиленовым и кислородным обменом либо путем генетических изменений, либо агрохимическими методами могли бы усилить естественные защитные функции и улучшить качество продукции. Кроме того, результаты исследований поднимают вопросы о возможных дополнительных сигналах и взаимодействиях с гормональными и механическими путями.
Вероятно, газы создают благоприятные условия или задают общий тон для восстановления барьера, тогда как детерминированные пространственные и генетические коктейли уточняют местоположение и характер новых клеток. Такие многоуровневые системы контроля гарантируют надежность и точность в сложных процессах регенерации тканей. Наконец, в более широком контексте подобные механизмы могут служить примером эволюционных решений по использованию простых физических явлений — газового обмена — для сложной биологической регуляции. Это расширяет представления о том, каким образом растения координируют внутреннюю организацию и взаимодействие с окружающей средой. Подводя итог, можно сказать, что восприятие диффузии газов этилена и кислорода служит ключевым механизмом для наблюдения целостности барьерных тканей у растений и активации процессов их регенерации после повреждений.
Этот новый взгляд на взаимодействие растений с их физическим и биохимическим окружением открывает перспективные направления в фундаментальной ботанике и прикладных исследованиях, обещая новые методы для улучшения защиты и роста растений в условиях изменяющегося климата и аграрных вызовов.
