Растения в течение сотен миллионов лет эволюционировали таким образом, чтобы эффективно защищать свои внутренние ткани от неблагоприятных внешних факторов. Одним из важнейших компонентов их защиты является барьерный слой, который служит для предотвращения потери воды и проникновения патогенов. Виды растений с вторичным ростом формируют перидерму — специализированный защитный слой, состоящий из пеллемы, пеллогена и пеллодермы. Однако, несмотря на его важность, механизм мониторинга целостности этой защиты оставался малоизученным до недавних исследований. Новые открытия выявили, что растения способны чувствовать нарушения барьерного слоя за счёт изменения диффузии газов, таких как этилен и кислород.
Отвечая на стресс, вызванный механическим повреждением, растение реагирует комплексно — запускается сигнальный каскад, включающий различные гормоны и транскрипционные факторы. Одним из важнейших сигналов оказался газовый гормон этилен, который скапливается в тканях при ограниченной диффузии. Нормально плотная перидерма препятствует свободному перемещению газов, удерживая этилен внутри тканей и сохраняя таким образом высокие уровни этого газа, что влияет на рост и развитие. Однако при повреждении барьера этилен начинает покидать внутренние ткани через рану, а кислород, наоборот, проникает внутрь. Такое изменение газового баланса ведёт к ослаблению сигнализации, связанной с этиленом, и уменьшению гипоксического стресса.
С понижением сигналов этилена и гипоксии запускаются процессы регенерации — активируются клетки, ответственные за восстановление перидермы. Исследования на модели растения Arabidopsis thaliana продемонстрировали, что при ранениях корней именно подобные колебания концентраций газов служат ключевыми триггерами для запуска процессов восстановления. Эксперименты показали, что введение дополнительного этилена или его прекурсора ACC (1-аминциклопропан-1-карбоновая кислота) подавляет активацию генов, связанных с перидерматическим барьером, и препятствует формированию суберизированных клеток — специализированных клеток с укреплёнными стенками, отвечающих за барьерную функцию. Это говорит о том, что снижение этиленового сигнала после повреждения — необходимое условие для начала регенерации. Кроме того, роль кислорода выявилась не менее значимой.
В норме внутренние ткани корня находятся в состоянии легкой гипоксии, обусловленной низкой проницаемостью барьерного слоя. При повреждении ранней происходит проникновение кислорода, что снижает гипоксический сигнал, стимулирующий восстановление тканей. Использование генетических мутантов, не способных адекватно реагировать на изменение уровня кислорода, приводит к нарушению процесса регенерации перидермы. Подобная газовая система контроля работает не только в корнях, но и в стеблях. В стеблях растений Arabidopsis, где отсутствует классическая перидерма, защитную роль выполняет эпидерма и кожица.
Повреждение этой зоны также вызывает запуск регенерации через изменение газовой среды. Исследования показали, что при механическом повреждении стебля также наблюдается утечка этилена и проникновение кислорода, что способствует формированию аналогичных защитных структур. Этот механизм позволяет растению эффективно и быстро реагировать на повреждения, минимизируя опасность потери воды и инфицирования патогенами. Он представляет собой уникальный способ непрерывного мониторинга целостности барьеров без необходимости специализированных рецепторов для каждого участка поверхности. Ранее известные системы контроля целостности у растений включали локализованные пептидные сигналы и специализированные рецепторы, воспринимающие повреждение клеточной стенки или выделение сигнальных молекул.
Однако газовая модель мониторинга отличается тем, что основывается на простом и универсальном физическом принципе диффузии газов. Такой подход позволяет координировать восстановление целостности на больших участках ткани с высокой степенью эффективности. Практическое значение понимания этого механизма сложно переоценить. Знание о том, как растения контролируют и восстанавливают барьеры, может помочь в сельском хозяйстве и биотехнологии. Например, при выращивании культур, повреждения корней или стволов вызванные вредителями, погодными условиями или механической обработкой могут снижать урожайность и устойчивость растений к болезням.
Использование веществ, влияющих на этиленовый или гипоксический сигналы, может стать стратегией для повышения регенеративного потенциала и устойчивости растений к повреждениям. С другой стороны, этот механизм также расширяет понимание адаптации растений к условиям окружающей среды. Этилен, как газовый гормон, известен своей ролью в ответах на затопление, уплотнение почвы и другие стрессы, влияя на рост корней и развитие тканей. Способность растения учитывать локальные концентрации этилена и кислорода не только для внутреннего развития, но и для оценки повреждений и изменений внешних оболочек подчёркивает многофункциональность газовой сигнализации. В перспективе дальнейшие исследования могут выявить другие газы или летучие вещества, вовлечённые в аналогичные процессы.
Кроме того, понимание взаимодействия газовых сигналов с традиционными гормонами, такими как абсцизовая кислота, жирные кислоты и пептиды, позволит создать более полную картину регуляции регенерации и защиты растений. Обобщая, исследования демонстрируют, что растения используют диффузию газов как высокоэффективный способ контроля целостности своих защитных барьеров. Освобождение этилена и проникновение кислорода при повреждении служит сигналами для мобилизации регенеративных процессов. Этот простой и универсальный механизм не только усиливает выживаемость растений в изменяющихся условиях, но и открывает новые пути для применения знаний в агрономии, лесоводстве и биотехнологии.
