Растения постоянно взаимодействуют с окружающей средой, испытывая влияние различных биотических и абиотических факторов, которые могут повредить их защитные структуры. Одним из ключевых элементов, обеспечивающих защиту растений от внешних угроз, является барьерная ткань – перидерма, которая формируется во время вторичного роста и препятствует потере воды, а также проникновению патогенов. Несмотря на важность этой функции, механизмы, с помощью которых растения контролируют целостность своего барьера, долгое время оставались загадкой. Последние научные исследования выявили, что растения способны «чувствовать» состояние своего барьера через процесс диффузии газов, специфически этилена и кислорода, что позволяет им оперативно реагировать на повреждения. Перидерма – это многослойная защитная ткань, состоящая из клеток феллемы, феллогена и феллодермы.
Внешний слой – феллема, или корковый слой, является главным барьером. Его клетки обогащены лигнином и суберином – веществами, создающими водонепроницаемый и прочный слой. Однако при механических повреждениях эти структуры нарушаются, и растение сталкивается с угрозой обезвоживания и инфицирования. В ответ на такую ситуацию перидерма способна регенерироваться, восстанавливая повреждённый барьер. Удивительно, что ключевыми сигналами для запуска этого процесса являются именно газы – этилен и кислород.
Этилен широко известен как газовый гормон растений, регулирующий рост, развитие и реакции на стресс. При повреждении барьера происходит утечка накопленного этилена наружу, в то время как внутрь проникает кислород. Такое перераспределение газов приводит к подавлению этиленового сигнала и снижению уровня гипоксического ответа, что в итоге инициирует регенерацию перидермы. В клетках корня Arabidopsis thaliana было показано, что после ранения происходит локальное снижение сигнальных путей этилена, что способствует активации генов, ответственных за формирование нового защитного слоя. Также доказано, что кислород играет важную роль в этом процессе.
В нормальных условиях внутренние ткани корня находятся в состоянии физиологического гипоксии, поскольку перидерма ограничивает диффузию газов. Повреждение улучшает проникновение кислорода, снижая гипоксический стресс и стимулируя регенерационные процессы. Использование специфических маркеров гипоксической сигнализации позволило визуализировать снижение активности генов под действием кислорода, подтверждая его значение для восстановления барьера. Интересно, что этилен и кислород воздействуют на регенерацию перидермы аддитивно, усиливая эффект друг друга. Эксперименты с применением аналогов и ингибиторов этих газов продемонстрировали, что увеличение уровня этилена или удержание гипоксической сигнализации тормозит восстановление барьера.
Совместное снижение сигналов обоих газов способствует наиболее эффективному восстановлению. Механизм, основанный на мониторинге диффузии газов, служит своеобразным датчиком целостности барьера. При повреждении снижается наружное сопротивление диффузии, и это физическое изменение трансформируется в изменение концентраций газов, которое растения воспринимают как сигнал к действию. При успешной регенерации утрата этилена уменьшается, а проникновение кислорода ограничивается вновь сформировавшимся барьером, что приводит к восстановлению исходного сигнального баланса и остановке процесса регенерации. Уникальность такого способа контроля состоит в том, что он не требует сложных специфических рецепторов или локализованных химических сигналов.
Благодаря высокой подвижности газов и их способности быстро изменять концентрацию в тканях они могут выполнять роль оперативных и универсальных индикаторов повреждений. Однако для точного позиционирования регенерации, вероятно, задействованы и другие сигнальные молекулы, гормоны и механические стимулы. Интересно, что подобный механизм контроля целостности барьера применим не только к корням и перидерме, но и к эпидермису стебля. В экспериментальных условиях при повреждении эпидермиса долгосрочно наблюдается формирование слоя, сходного с феллемой, и процесс его восстановления также зависит от газовой диффузии, по меньшей мере в части случаев – от этилена. Это свидетельствует о широкой распространённости механизма газового мониторинга для различных тканей и органов растения.
Понимание того, как растения используют свойства газов для оценки состояния своих барьеров, имеет не только фундаментальное значение, но и прикладное. Например, восстановление перидермы важно при повреждениях плодовых культур, где качество коркового слоя напрямую влияет на урожай и его хранение. Кроме того, использование природных механизмов регенерации может стать основой для разработки новых методов защиты и повышения устойчивости растений. Современные технологии, такие как визуализация экспрессии генов-маркеров и измерение концентраций газов в тканях, открывают новые горизонты для изучения этого процесса. Новые данные сфокусированы на интеграции газовой сигнализации с другими системами, что поможет создать более полную модель регенерации барьеров у растений.
В целом, стратегия мониторинга целостности барьера через диффузию газов является элегантным природным решением задачи сохранения внутренней гомеостазии и защиты от внешних воздействий. Дальнейшие исследования помогут раскрыть сложные взаимодействия между газовой сигнализацией, гормонами и клеточным развитием, способствуя развитию сельского хозяйства и лесного хозяйства через укрепление здоровья и продуктивности растений.
