Растения, будучи неподвижными организмами, вынуждены развивать сложные системы защиты от агрессивных факторов окружающей среды. Одним из главных компонентов их защиты являются барьерные ткани, которые выполняют роль своеобразной оболочки, препятствующей потере воды, внедрению патогенов и повреждениям. Однако эти барьеры, будь то перидерма в корнях или эпидермис на стеблях, подвержены повреждениям. Для обеспечения выживания и стабильного развития растение должно активно мониторить состояние своих барьеров и при необходимости инициировать их восстановление. Недавние исследования выявили уникальный механизм мониторинга целостности, основанный на восприятии диффузии газов через поврежденные ткани.
Главной барьерной тканью у многих растений во время вторичного роста служит перидерма. Она состоит из нескольких слоёв, включая пробковый слой (пеллему), камбий (пеллоген) и подлежащие паренхимные слои (пеллодерму). Пробковые клетки накапливают в клеточных стенках соединения, подобные лигнину и суберину, которые делают их непроницаемыми для воды и газов. Такая структура препятствует проникновению внешних факторов и обеспечивает устойчивость к неблагоприятным воздействиям. Однако при механическом повреждении, например, после ранения или среза, перидерма теряет свою герметичность, и растение должно обнаружить этот факт, чтобы активировать процессы регенерации новой защитной ткани.
Удивительно, но для растения своеобразным «индикатором» повреждения служит изменение концентрации газов, а именно этилена и кислорода, в тканях. Исследования на модели Arabidopsis thaliana показали, что этилен при нормальном функционировании барьера накапливается в тканях из-за их низкой проницаемости. Когда происходит повреждение, этилен выходит наружу через открытую рану, а кислород начинает интенсивно проникать внутрь. Эти изменения в концентрации газов воспринимаются растением как сигнал о нарушении целостности барьера и запускают программу регенерации. Этилен, как газовый фитогормон, известен своей ролью в регуляции роста, развития и реакции на стрессовые факторы.
Внутри неповреждённых тканей этилен довольно стабильно накапливается. При повреждении эти газы свободно диффундируют, снижая концентрацию этилена в поврежденной зоне и повышая доступ кислорода. Такой перепад и соответствует сигналам для начала восстановления защитного слоя. При этом снижается активность этиленового сигнального пути, который в данном случае выступает подавляющим фактором для активации регенерации перидермы. Одновременно с этим повышенное проникновение кислорода приводит к ослаблению гипоксического сигнала, присутствующего в неповреждённых внутренних тканях благодаря их низкой проницаемости для кислорода.
Нормально внутренние ткани растения находятся в условиях физиологической гипоксии, и поступление кислорода через повреждение снижает уровень такого сигнала, что также стимулирует восстановительные процессы. Ученые продемонстрировали, что если повреждение физически заклеить, например, с помощью вазелина или специального воска, то диффузия газов ограничивается, и сигнал о повреждении не поступает или поступает с задержкой. В таких условиях регенерация перидермы существенно замедляется или даже не происходит вовсе. Эксперименты с применением добавок этилена и изучением мутантных растений, неспособных воспринимать этилен, подтвердили критическую роль снижения этиленового восприятия для инициации восстановления барьера. Подобный механизм восприятия повреждений через диффузию газов обнаружен не только в корнях, но и в других частях растения, например, в стеблях Arabidopsis.
Хотя полноценной перидермы в стеблях нет, повреждение эпидермиса вызывает образование суберизированных клеток – аналогичных защитных слоев. И здесь, вероятно, газовая диффузия также служит сигналом для запуска процессов заживления и восстановления. Такой способ контроля целостности барьера газовой диффузией является очень экономичным и универсальным по сравнению с более сложными молекулярными путями. Газы свободно распространяются через ткани, и их концентрация легко меняется в зависимости от структуры барьера, что позволяет растению быстро определить наличие повреждения без необходимости локальных биохимических датчиков. В дополнение к регенерации, восстановление нормального уровня этилена и кислорода служит сигналом для прекращения процесса формирования новой перидермы, предотвращая излишнее утолщение защитного слоя.
Таким образом, растение способно не только распознать повреждение, но и точно контролировать масштабы регенерации для эффективного энергозатрата. Сегодня изучение этого механизма не только расширяет наше понимание фундаментальных биологических процессов в растениях, но и открывает перспективы для агротехнологий. Знание о том, как растения восстанавливают барьерные ткани, может пригодиться при разработке устойчивых сортов с улучшенной способностью к регенерации после повреждений, эффективной защитой от патогенов и снижением потерь воды. Также это имеет значение для сельскохозяйственных культур и лесных растений, где повреждения коры или поверхности часто ведут к снижению урожайности и гибели растений. Кроме того, понимание роли газовой диффузии в регулировании роста и заживления растений демонстрирует тесную связь между физиологией растений и физическими свойствами их тканей, и указывает на важность междисциплинарных исследований, объединяющих биологию, физику и химию.
В итоге, способность растений ощущать изменения в концентрациях газов, таких как этилен и кислород, и использовать их как сигналы для регенерации барьерных тканей – это пример изящной адаптации, позволяющей обеспечить защиту и жизнеспособность на протяжении всей жизни растения. Такие открытия ставят растения в один ряд с другими сложными системами, умеющими эффективно реагировать на нарушения своих физических границ, что является ключевым элементом выживания в постоянно меняющейся среде.
