Растения, будучи неподвижными организмами, непрерывно сталкиваются с различными стрессовыми факторами окружающей среды — от механических повреждений до воздействия патогенов и потери влаги. Ключевым элементом их выживания является сохранение целостности физических барьеров, изолирующих внутренние ткани от внешней среды. Основными такими защитными структурами являются перидерма — многослойный наружный покров, а также эпидермис с покровом из кутикулы у надземных органов. Недавние исследования, проведенные на модельном растении Arabidopsis thaliana, показали, что растения обладают способностью наблюдать за целостностью своих барьеров посредством контроля диффузии газов, а именно этилена и кислорода, что открывает новое понимание регенеративных процессов и систем сигнализации внутри тканей растений. Перидерма как основной защитный барьер создается во время вторичного роста у многих семенных растений.
Она состоит из нескольких слоев клеток, среди которых выделяются феллема (пробка), феллоген (размножающиеся клетки) и феллодерма (внутренний слой). Феллема дифференцируется из дочерних клеток феллогена и несет основную функцию формирования барьера, создавая гидрофобные стенки с помощью лигнина и суберина. Эти биополимеры обеспечивают эффективное предотвращение потери влаги и проникновения патогенов. Повреждения перидермы, например вследствие физических травм, приводят к нарушению барьера и требуют его быстрой регенерации. На протяжении многих лет механизмы заживления и восстановления этой ткани оставались мало изученными.
Прорывом стала работа, которая выявила, что именно диффузия газов — утечка этилена наружу и проникновение кислорода внутрь через поврежденный участок — служит сигналом для запуска регенеративных процессов. Этилен, являющийся одним из ключевых фитогормонов, играет многообразную роль в развитии растений и реакции на стресс. Под нормальными условиями перидерма ограничивает выход этилена из внутренних тканей, позволяя ему накапливаться и служить маркером закрытого состояния. При повреждении ткани происходит резкий спад концентрации этилена внутри, так как газ вытекает через открытую рану. Это снижение этиленового сигнала воспринимается клетками как указание на нарушение барьера и способствует активизации экспрессии генов, отвечающих за регенерацию перидермы.
Одновременно с этим, кислород, ранее затрудненный в проникновении через гидрофобный слой, получает возможность поступать внутрь, ослабляя гипоксические условия в тканях и вызывая снижение активности гипоксии-сигнальных путей. Исследования подтвердили, что подавление этиленового сигнала с помощью его предшественника ACC, а также усиление гипоксического сигнала, ведут к замедлению или неполному восстановлению перидермы. В то же время, механическое покрытие раны (например, нанесение вазелина или ланолина) препятствует газообмену, что не позволяет снизить уровень этилена и увеличить концентрацию кислорода, тем самым блокируя активацию процессов регенерации. Таким образом, растения используют диффузию газов как непрямой, но эффективный индикатор целостности своих барьеров. Этот механизм действует не только в корнях, где формируется перидерма, но и в надземных частях.
Например, в стеблях Arabidopsis при повреждении эпидермиса и кутикулы запускается диффузия газов и аналогично активируются процессы, направленные на формирование замещающего защитного слоя. Однако роль отдельных газов и сигнальных путей может варьироваться, свидетельствуя о многоаспектном регулировании. Понимание того, что растения мониторят состояние своих внешних покровов через газовую диффузию, меняет наше восприятие как механизмов регенерации, так и систем адаптации к неблагоприятным условиям. Это добавляет новое измерение к изучению фитогормонального взаимодействия, где газообразные молекулы играют роль «посланцев» состояния тканей. Механизм использует непосредственные физические свойства газов: способность диффундировать и изменять локальные концентрации в зависимости от целостности барьера.
Практическое значение данного открытия огромно. В сельском хозяйстве и лесном хозяйстве контроль и стимулирование заживления травмированных тканей может повысить устойчивость растений к инфекциям и потере влаги, снижая потери урожая и улучшая качество продукции. Более того, понимание газовых сигналов может помочь в разработке новых технологий, позволяющих управлять ростом и развитием растений при воздействии стрессовых факторов. Новые остатки исследования также открывают перспективы для биотехнологий — создание растений с усиленной чувствительностью к изменениям газового состава или же с регулируемой экспрессией факторов, участвующих в этих сигнальных путях, может привести к развитию культур с улучшенными способностями к восстановлению после повреждений. В заключение, диффузия газов — этилена и кислорода — выступает в качестве настоящей системы мониторинга целостности защитных барьеров растений.
Этот механизм сигнализации обеспечивает начало регенерации при нарушениях, а также прекращение ее при восстановлении барьера, что позволяет растениям сохранять целостность и устойчивость в постоянно меняющейся внешней среде. Данный научный прогресс не только расширяет базовые знания биологии растений, но и открывает новые горизонты для практического применения в агрокультуре.
