Растения, будучи неподвижными организмами, постоянно подвергаются влиянию внешних факторов, которые могут нарушить целостность их защитных барьеров. Одним из ключевых элементов защиты, особенно у семенных растений, является перидерма — специализированная ткань, выполняющая роль внешнего щита от потери влаги и проникновения патогенов. Несмотря на её жизненно важную функцию, механизмы, позволяющие растениям контролировать состояние перидермы и запускать процессы её восстановления после повреждений, долгое время оставались загадкой. Недавние исследования, проведённые на модели — растении Arabidopsis thaliana, пролили свет на этот процесс и выявили, что растения нелинейно реагируют на изменения в газовом составе вокруг повреждённого участка, используя пластичную систему сигналов основанную на диффузии газов, в частности этилена и кислорода. Перидерма состоит из нескольких слоёв клеток, среди которых выделяются феллема (пробка), феллоген и феллодерма.
Феллема играет роль основной физической защиты и формируется из дочерних клеток феллогена, откладывая в своих стенках специфические вещества, такие как лигнин и суберин. Эти компоненты делают клеточную стенку водонепроницаемой и устойчивой к микробному воздействию. Однако повреждение этого слоя, например механическое ранение, ставит растение в критическую ситуацию, так как защитный барьер нарушается. Для выживания происходит экстренный процесс регенерации перидермы, при котором клетки вблизи раны начинают активно делиться и дифференцироваться, формируя новый защитный слой. Ключевым открытием стало понимание того, что этот регенеративный процесс запускается именно благодаря изменению диффузии двух газов — этилена и кислорода.
В нормальных условиях этилен, являющийся газовым фитогормоном, накапливается внутри тканей, поскольку феллема ограничивает его выход. Кислород, наоборот, поступает внутрь тканей в ограниченном количестве, и внутренние слои находятся в состоянии физиологической гипоксии. При повреждении перидермы происходит утечка этилена наружу и проникновение кислорода внутрь раны. Эта смена концентраций вызывает снижение этиленового сигнала и ослабление гипоксического стресса. Молекулярные маркёры, связанные с этиленовым и гипоксиальным сигналингом, показывают радикальное изменение в зоне повреждения уже в первые часы после ранения.
Уменьшение этиленового сигнала, вопреки традиционному пониманию, стимулирует активацию генов, ответственных за формирование новой перидермы. Проведённые эксперименты с обработкой растительных тканей предшественником этилена (1-аминокyclopropan-1-карбоновой кислотой, АСС) показали, что искусственное повышение уровня этилена тормозит этот процесс восстановления, в то время как понижение его сигнала способствует регенерации. Параллельно с этим, увеличение поступления кислорода нарушает гипоксический статус тканей. В норме низкий уровень кислорода поддерживает экспрессию гена PLANT CYSTEINE OXIDASE (PCO), важного для реакции на гипоксию. После ранения уровень PCO быстро снижается, что свидетельствует о смягчении гипоксии.
Эксперименты с мутантами, неспособными нормализовать гипоксию, подтверждают, что сохранение гипоксического сигнала подавляет формирование перидермы. Взаимодействие этилена и кислорода оказывает совместный эффект, обеспечивая точное регулирование регенеративного процесса. Их уровни изменяются синхронно и регулируют не только запуск, но и подавление образования новой перидермы по мере восстановления её целостности. Система мониторинга целостности, опирающаяся на газовую диффузию, не ограничивается лишь корнями. Исследования показали, что аналогичный механизм действует и в надземных частях растений.
Например, при повреждении эпидермиса стебля Arabidopsis формируется подобная пробковая прослойка, и здесь также наблюдается утечка этилена и смена кислородного обмена. Хотя роль этилена и кислорода в регенерации эпидермиса менее выражена, сама концепция мониторинга через газы сохраняется, что говорит о её универсальности. С позиции эволюционной биологии, такой газовый механизм имеет явные преимущества: он не требует сложных рецепторов или нанесения сигнальных меток по границе ранения. Диффузия газов происходит автоматически, обеспечивая быстрый и локальный ответ на нарушение барьера. Кроме того, газовая среда постоянно обновляется, что позволяет растению динамично отслеживать состояние своих тканей и корректировать ответ в режиме реального времени.
Практическое значение открытого механизма многогранно. В агрономии понимание регуляции перидермы может помочь в разработке устойчивых сортов, лучше защищённых от проникновения патогенов через раны. На уровне биотехнологий можно рассмотреть возможности модификации этиленового и кислородного обмена для ускорения процесса заживления тканей у культурных растений. Также роль этилена как негативного регулятора регенерации ставит под вопрос традиционные представления о его функциях исключительно как стимулятора возрастных и стрессовых изменений. Этилен проявляет многогранность и регулирует процессы по принципу баланса и контекста.
