Растения, являясь неукоснительными обитателями строго ограниченной окружающей среды, нуждаются в надежных механизмах защиты своих внутренних тканей от внешних угроз. Одним из ключевых компонентов их защитной системы выступает барьерная ткань — перидерма, которая формируется во время вторичного роста и обеспечивает изоляцию растений от потери воды, патогенов и других неблагоприятных факторов. Несмотря на важность этой структуры для выживания растений, механизмы, благодаря которым растения могут отслеживать целостность своего барьера и восстанавливать его при повреждениях, долгое время оставались загадкой. Современные исследования открывают удивительный принцип, на котором основана эта способность — мониторинг диффузии газов через повреждения. Перидерма состоит из нескольких слоев, включая феллему (корковый слой), пеллоген и пеллодерму.
Особенность феллемы заключается в том, что клетки этой области накапливают в своих стенках вещества, такие как лигнин и суберин, образуя плотный непроницаемый слой. Именно этот слой препятствует свободному прохождению газов и воды, создавая прочный барьер. Однако происшествие травмы или повреждения нарушает целостность данного покрова, открывая каналы для диффузии газов внутрь и наружу тканей. Во время травмы в повреждённой области происходит утечка этилена, одного из ключевых газообразных гормонов растений, из внутренних тканей наружу. Одновременно с этим кислород начинает проникать внутрь ранее ограниченных областей.
Такой обмен газами оказывает непосредственное влияние на сигнальные пути, регулирующие процессы роста и восстановления. При нормальных условиях перидерма создаёт условия для накопления этилена внутри тканей, поддерживая определённый уровень его сигнальной активности. Если же происходит повреждение, то этилен выводится, а кислород поступает в ткани, снижая концентрацию этилена и одновременно уменьшая гипоксические сигналы — сигналы нехватки кислорода. Это создает биохимический сигнал, который стимулирует активацию регенеративных программ и запуск процессов восстановления барьера. Таким образом, растения не обходятся без сложной системы самоконтроля, позволяющей им определять, когда их защитные барьеры нарушены, и предпринимать меры для восстановления.
Этот процесс был изучен, в частности, на примере корней арабидопсиса — модельного растения. После повреждения перидермы у корней наблюдалось быстрое повышение экспрессии генов, связанных с формированием барьера. На ранних этапах восстанавливаются клетки, продуцирующие компоненты защитного слоя, после чего происходит их деление в специально образующейся зоне, напоминающей пеллоген. В дальнейшем восстанавливается полноценный слой феллемы с выраженной лигнификацией и суберинизацией, что подтверждает успешное восстановление барьера и возобновление прежних газовых условий внутри ткани. Особое внимание уделяется влиянию этилена на процесс регенерации.
Несмотря на то, что травма стимулирует выработку этилена, именно снижение его сигнальной активности указывает клеткам на необходимость начать процесс восстановления. Эксперименты с применением прекурсора этилена – 1-аминокарбоновой кислоты (ACC) – показали, что избыточное количество этого гормона препятствует нормальному восстановлению барьера, приводя к нарушенной формировке суберинизированного слоя и даже образованию нефункциональной ткани. Следовательно, стремление растений сбросить высокий уровень этилена после повреждения является ключевым условием для успешной регенерации. Параллельно важная роль отводится кислороду. Под слоем неповреждённой перидермы образуются условия умеренной гипоксии, обусловленные ограниченным поступлением кислорода и его потреблением клеточным дыханием.
Повреждение барьера способствует поступлению кислорода внутрь тканей, ослабляя гипоксические сигналы и тем самым позволяя активироваться регенеративным механизмам. Эксперименты с низким содержанием кислорода показали, что поддержание гипоксии тормозит восстановление барьера, а мутации в генах, связанных с реакцией на гипоксию, существенно ухудшают качество реставрации. Особое значение имеет совместное действие газовых сигналов — снижение этилена и ослабление гипоксии усиливают друг друга и способствуют полноценному формированию защитных структур. Регенерация перидермы – это динамический процесс: после восстановления барьера восстанавливается нормальная газовая среда, и сигналы этилена и гипоксии возвращаются к первоначальному уровню, что предотвращает избыточный рост защитных тканей и обеспечивает баланс. Подобный механизм мониторинга барьерной целостности реализуется не только в корнях, но и в других органах растений.
Например, у стеблей цветущего крыжовника при повреждении эпидермиса наблюдается формирование слоёв, сходных по свойствам с перидермой. Аналогично корням, залечивание повреждений в стеблях связано с диффузией газов, особенно этилена. Использование герметичной пленки или средства для защелкивания ран существенно замедляет восстановительные процессы, подтверждая значение газовой диффузии как сигнального механизма. Исследования подчеркивают тесную связь между обменом газов и регуляцией процессов роста и восстановления у растений. Мониторинг концентраций газов позволяет определить нарушение целостности защитного слоя и своевременно запустить восстановительные биологические программы.
Эта способность является одним из эволюционно сложившихся стратегических механизмов адаптации для выживания в постоянно изменяющемся и зачастую агрессивном окружении. Данная система несет большой потенциал не только для фундаментальной науки, но и для прикладных целей. Понимание принципов регенерации перидермы может способствовать разработке новых методов повышения сопротивляемости растений к болезням и стрессам, а также оптимизации промышленного выращивания культур, где повреждения барьеров вызывают потерю урожайности. В частности, изучение процессов регенерации у видов, используемых человеком, например у корковых дубов или картофеля, может иметь значительное экономическое значение. В итоге механизм контроля целостности защитной оболочки с помощью газовой диффузии является прекрасным примером того, как простые физические процессы интегрируются в сложные биологические сигнальные сети, обеспечивая устойчивость и адаптивность растений.
Это явление открывает новые горизонты для понимания взаимосвязи между окружающей средой и внутренними регуляторными системами растений, а также поддерживает концепцию целостного восприятия живых организмов как сложных и многоплановых систем.
