Жизнь растений тесно связана с их способностью поддерживать защитные барьеры, которые отделяют внутренние ткани от внешней среды. Эти барьеры необходимы для предотвращения потери воды, защиты от патогенов и вредоносных воздействий. Одним из таких барьеров является перидерма — наружная ткань, которая формируется во время вторичного роста и представляет собой комплекс клеток, включая пробку (фельлему), камбий пробки (пеллоген) и паренхиму пробки (пеллодерму). Именно она обеспечивает физическую защиту и герметичность растения. Несмотря на важность перидермы, долгие годы у учёных оставался малоизвестным механизм её регенерации после повреждений.
Последние исследования открыли удивительный способ, которым растения следят за состоянием своего барьера — посредством восприятия диффузии газов, таких как этилен и кислород. Этилен, будучи газообразным гормоном растений, участвует в регуляции роста, развития и ответных реакциях на стресс. Обычно его выпуск и поступление внутрь тканей строго контролируются, поскольку этилен легко диффундирует через клеточные вещества. При наличии целого перидермы хранение этилена внутри ткани поддерживается на определённом уровне; при повреждении барьера происходит утечка этилена в окружающую среду и одновременный приток кислорода. Этот процесс запускает цепь биохимических реакций и сигнальных путей, которые стимулируют восстановление перидермы.
Ранние эксперименты, проведённые на модели растения Arabidopsis thaliana, показывают, что при нанесении механического повреждения корням происходит уменьшение уровня этиленового сигнала во внутренних тканях благодаря утечке газа через рану. Это снижение этиленовой регуляции приводит к активации экспрессии генов, характерных для феллемы, и стимулирует деление клеток камбия пробки. Следом за этим начинается активное формирование новых слоёв пробки, обогащённых лигнином и суберином — веществами, которые запечатывают окружающие ткани и восстанавливают барьер. Таким образом, газовая диффузия становится ключевым индикатором повреждения и одновременно сигналом для запуска механизмов регенерации. В дополнение к этилену кислород играет не менее важную роль в механизме мониторинга целостности.
В нормальных условиях внутренние слои тканей испытывают гипоксию, так как плотный и ненасыщенный барьер ограничивает приток кислорода. Когда происходит травма, в рану начинает поступать атмосферный кислород, который ослабляет гипоксические сигналы в тканях, способствуя регенерации. Это было подтверждено с помощью гипоксически-активируемых маркеров, которые снижают активность своих транскрипционных профилей в ответ на повышение насыщения кислородом. В целом, изменение баланса между этиленом и кислородом — снижение первого и увеличение второго — формирует климат внутри оболочки растения, который стимулирует процессы обновления и восстановления. Сочетательное действие изменения сигналов этилена и кислорода усугубляет или ослабляет регенерацию перидермы.
Например, повышение уровня этилена или удержание обширной гипоксической реакции значительно подавляют восстановительные процессы. Обратное же снижение данных сигналов активирует центральные гены и клеточные процессы, необходимые для образования прочного барьера. Можно говорить о том, что растения используют диффузию газов как универсальный механизм, позволяющий не только воспринимать механические повреждения, но и четко регулировать точку запуска и завершения восстановления повреждённого барьера. Интересно, что система газовой детекции не ограничена корневыми тканями. Аналогичные процессы наблюдаются в стеблях растений, где перидерма отсутствует, а главным барьером является эпидермис с кутикулой.
При повреждении эпидермиса в местах ран снова наблюдается стимуляция формирования пеллемоподобных слоёв. При этом, хотя гипоксические сигнальные пути не играют ярко выраженной роли, эти процессы связаны с утечкой этилена из тканей раны. Запечатывание травмы восковыми или смолистыми составами препятствует газообмену и значительно подавляет запуск восстановительных процессов, что ещё раз подчёркивает универсальность механизма газового мониторинга. Это открытие меняет наше понимание систем регуляции растений и того, как они взаимодействуют с внешней средой. Принцип использования газовой диффузии в качестве сигнала для контроля состояния барьера особенно важен, учитывая простоту и эффективность этого метода в динамически изменяющихся условиях.
Вместе с более сложными системами, основанными на пептидных сигналах и гормональных путях, газовая диффузия помогает растениям быстро реагировать на механические повреждения и обеспечивать свою выживаемость. С прикладной точки зрения понимание механизма газовой детекции и регенерации перидермы может быть использовано для улучшения устойчивости культурных растений к повреждениям. Например, селекция и генетическое редактирование растений с учётом этих сигнальных путей позволит повысить эффективность восстановления тканей после повреждения насекомыми или механическим воздействием, уменьшить вероятность проникновения патогенов и снижения продуктивности. Таким образом, газовая диффузия — эти тонкие, невидимые глазу процессы утечки и притока молекул — выступают в роли невидимок-сторожей, позволяющих растениям быть внимательными к состоянию своих живых «стен». Сочетая древние химические сигналы гормонов с новыми биохимическими путями и биофизическими свойствами тканей, растения открывают перед собой простую и надёжную систему мониторинга и самосохранения.
В будущем важно более детально изучить, как именно дополнительные факторы — пептиды, другие гормоны и физические воздействия — взаимодействуют с газовым мониторингом. Возможно, именно согласованная работа всех этих сигналов позволяет обеспечить точное позиционирование новых клеток перидермы и оптимальное восстановление барьера. Также не менее увлекательно исследовать, как этот механизм проявляется у разных видов растений и в других органах, например, у фруктов или древесных пород. Раскрытие этих деталей обещает расширить горизонты биологических знаний и откроет новые возможности для агротехнических инноваций.
