Растения, будучи неподвижными организмами, строго зависят от своих защитных барьеров для сохранения жизнеспособности и адаптации к окружающей среде. Одним из важнейших таких барьеров является перидерма — внешний слой тканей, формирующийся в результате вторичного роста, который защищает растение от повреждений, засухи, а также проникновения патогенов. Несмотря на важность этой структуры, механизмы поддержания её целостности долго оставались недостаточно изученными. Новые исследования выявили, что растения способны контролировать состояние своих барьеров, используя обмен газами — механизм диффузии этилена и кислорода через повреждённые участки ткани. Перидерма состоит из трёх основных типов клеток: феллемы (корка), феллогена и феллодермы.
Феллема играет роль прочного, водонепроницаемого барьера, так как её клетки укрепляются несколькими слоями лигнина и суберина в клеточных стенках. Такие свойства делают перидерму отличным защитным экраном, однако при механических повреждениях этой структуры возникает риск проникновения воды и патогенов, что способствует гибели тканей и даже всего растения. Сенсорная система, которая позволяет растениям отслеживать повреждение перидермы, основана на изменениях в диффузии двух газов — этилена и кислорода. В нормальном состоянии перидерма препятствует свободному обмену этиленом с окружающей средой, что приводит к накоплению этого гормона внутри тканей. При повреждении защитного барьера этилен начинает утекать из поврежденного места, а кислород, наоборот, поступает вовнутрь, изменяя локальный газовый состав.
Эти изменения вызывают специфические сигнальные каскады, приводящие к регенерации перидермы. Для подтверждения такого механизма были проведены эксперименты на модельном растении Arabidopsis thaliana, где имитировались раны на корнях. При повреждении перидермы наблюдалось снижение этиленового сигнала и сокращение гипоксической реакции, что способствовало активации генов, связанных с формированием новых клеток перидермы. Это сопровождалось последовательным развитием клеток феллогена и последующей дифференцировкой новых феллемных клеток, обеспечивающих физический барьер. Когда перидерма была полностью восстановлена, сигналы этилена и кислорода возвращались к исходным уровн, Регенерация перидермы происходила в несколько этапов: сначала активировались гены, выражающиеся в молодых феллемных клетках, затем происходило усиленное деление клеток, образующих феллоген, а затем наступала феллемная дифференцировка с отложением лигнина и суберина.
Такой процесс гарантирует не только восстановление структуры, но и возвращение физической и химической защиты повреждённого участка. Особое внимание уделялось роли этилена — газообразного фитогормона, участвующего во множестве процессов развития и стрессовых ответов у растений. Интересным оказался факт, что хотя после механического повреждения этилен образуется в повышенных количествах, в зоне раны фактически снижается этиленовый сигнальный ответ из-за утечки газа наружу. Вмешательство в этиленовый обмен с помощью добавок предшественника ACC или самого этилена привело к угнетению процесса регенерации перидермы и формированию неполных или разорванных барьерных слоёв, что свидетельствует о важной роли снижения этиленового сигнала в активации восстановительных процессов. Косвенно поддержала гипотезу и регистрация изменений уровня кислорода.
Внутри растений, особенно в зонах вторичного роста, часто наблюдаются гипоксические условия, что связано с плохой газопроницаемостью внешних барьеров. Повреждение перидермы способствует проникновению кислорода внутрь тканей, что снижает гипоксический сигнал и тем самым способствует активации генов регенерации. Мутационный анализ генов, ответственных за кислород-зависимое распознавание и передачу сигналов (например, генов пути N-end rule), подтвердил необходимость снижения гипоксической реакции для успешного формирования новых клеток перидермы. Одной из важных особенностей механизма является аддитивное взаимодействие между этиленовым и гипоксическим сигналами. Оба газа влияют на процесс регенерации перидермы, и их одновременное воздействие обеспечивает точное регулирование запуска и завершения восстановления барьера.
Когда перидерма восстановлена, барьер вновь ограничивает диффузию газов, и уровни этиленового и гипоксического сигналов возвращаются к исходным, подавляя дальнейшую регенерацию. Такое саморегулирование предотвращает избыточное образование ткани и обеспечивает соответствие структуры потребностям растения. Помимо корней, сходный механизм прослеживается и в стеблях растений. Количество этилена повышается после повреждений и способствует образованию подражательных защитных слоев, напоминающих феллему. Однако в этом случае роль кислорода и гипоксических сигналов менее выражена, что отражает вариативность газового мониторинга в зависимости от типа и особенностей тканей.
Кроме того, вероятно, что кроме этилена и кислорода важны и другие летучие вещества и гормоны, которые участвуют в комплексной системе обнаружения и восстановления повреждений. Результаты исследований открывают новые горизонты в понимании того, как растения используют простейшие физико-химические процессы для контроля жизненно важных функций. Использование диффузии газов как сигнала позволяет эффективно интегрировать информацию о внешнем состоянии барьера без необходимости сложных структурных рецепторов. Такой подход отражает универсальность и экономичность биологических систем, а также подчеркивает важность газов как посредников между клетками и организмом и окружающей средой. Практическое значение этих открытий значимо как с биологической, так и с аграрной точки зрения.
Понимание механизмов регенерации перидермы может помочь в разработке устойчивых сортов растений, лучше сопротивляющихся повреждениям и инфекциям. Помимо обеспечения выживаемости, барьерные ткани также отвечают за качество продукции в сельском хозяйстве, например, в случае фруктов и клубней. Контроль и улучшение процессов заживления ран может повысить урожайность и сохранить товарный вид плодов. В перспективе актуальными становятся вопросы выявления дополнительных молекулярных компонентов и путей взаимодействия с газовой регуляцией, а также исследования, насколько широко этот механизм распространён среди различных видов растений и типов барьеров. Кроме того, интеграция данных о механических, гормональных и газовых сигналах позволит выстроить полную картину регенерации барьеров и адаптации к стрессам.
Таким образом, растения демонстрируют способность к тонкому восприятию изменений во внутренней и внешней среде с помощью контроля диффузии газов — простого, но эффективного механизма мониторинга целостности защитного барьера. Это открытие расширяет наше понимание биологических коммуникаций и регуляции, а также задаёт новые направления для исследований в области физиологии растений и биотехнологий.
