Как растения контролируют целостность барьерных тканей через восприятие диффузии газов

Налоги и криптовалюта

Растения, несмотря на отсутствие нервной системы и органов чувств, обладают тонкими и изящными механизмами саморегуляции и защиты. Одним из важных элементов их жизнедеятельности является контроль целостности барьерных тканей, которые выполняют защитную функцию от внешних биотических и абиотических стрессов. Недавние исследования продемонстрировали, что ключевую роль в этом процессе играет мониторинг диффузии определённых газов, таких как этилен и кислород, через повреждённые участки тканей. Барьерные ткани растения, особенно перидерма, играют неоценимую роль в предотвращении потерь воды и проникновения патогенов. Перидерма образуется в процессе вторичного роста и состоит из нескольких слоёв клеток, включая корок (phellem), камбий перидермы (phellogen) и паренхиму пhelloderm.

Корок является внешним слоем, который утолщается за счёт отложения суберина и лигнина, что формирует эффективный физический барьер. Перидерма, являясь интерфейсом между внутренними тканями растения и окружающей средой, особенно уязвима при повреждениях. Такие повреждения могут возникать как вследствие механического воздействия, так и под влиянием биологических факторов. В этой ситуации жизненно важно, чтобы растение могло определить факт нарушения целостности и своевременно начать процесс восстановления барьера. Как оказалось, механизм распознавания повреждений основан на изменениях в диффузии газов через перидерму.

Этилен, известный как гормон стресса и развития, накапливается в тканях при ограниченной возможности диффузии. В здоровых участках растения, где перидерма целостна, этилен скапливается в межклеточных пространствах, поскольку наличие суберина и лигнина препятствует его выходу. Когда же происходит повреждение, газ немедленно выходит из тканей наружу, вызывая снижение местной концентрации. Этим обусловлено понижение стимулирующего действия этиленового сигнала, что, вопреки классическим представлениям об этилене как факторе адаптивного ответа, в данном случае способствует активации регенерационных процессов. Одновременно с выходом этилена происходит и обратный процесс — проникновение кислорода внутрь растений.

Обычно внутренние ткани с перидермою испытывают гипоксические условия, поскольку плотный барьер ограничивает поступление атмосферного кислорода. После ранения цианоз внутренней среды ослабляется благодаря проникновению кислорода. Его увеличение подавляет сигналы гипоксии, которые в свою очередь служат для торможения регенерации. Таким образом, увлажнение кислородом и снижение этиленсигнала являются двумя взаимодополняющими процессами, запускающими восстановление перидермы. Эксперименты на растениях Arabidopsis thaliana показали, что при ранении корней наблюдается утечка этилена наружу и одновременный вход кислорода в ткани.

Эти изменения приводят к понижению активности этиленовых сигналов и ослаблению гипоксического ответа, что вызывает выраженную активацию генов, отвечающих за образование новых корковых клеток и их последующую суберизацию и лигнификацию. Такой процесс можно воспринимать как «газовую сигнализацию», при помощи которой растение чувствует утрату барьерной защиты и начинает восстановление. Применение препаратов, имитирующих повышенный уровень этилена в тканях (например, ACC — предшественник этилена), тормозило процесс восстановления, приводя к недостаточному формированию перидермы и нарушению защиты. Аналогично показатели регенерации ухудшались при сохранении гипоксического состояния тканей, что указывало на важность нормализации уровня кислорода внутри раненного участка. Уникальность данного механизма мониторинга заключается в том, что газам не нужно специфическое клеточное восприятие с высокой точностью локализации, поскольку диффузия газов является по своей природе распространённым процессом.

Газовая сигнализация создает благоприятные условия для запуска других систем постановки на контроль и координации регенерации тканей, таких как пептидные гормоны, трансдукционные пути и механические сенсоры. Вместе они образуют скоординированную сеть, позволяющую растению быстро и эффективно восстанавливать поврежденные барьеры. Интересно, что аналогичный процесс наблюдается не только в корнях, где формируется перидерма, но и в других органах, например в стеблях растений. Там при повреждении эпидермиса также активируется восстановление барьера, в том числе связанных с суберинизацией клеток. При этом роль кислородного сигнала оказывается менее значимой, а ключевым остаётся именно контроль этиленового сигнала и диффузии через рану.

Это говорит о широком распространении и универсальности газового механизма контроля целостности барьера у растений. Принцип мониторинга целостности через газовую диффузию имеет важные биологические и практические аспекты. С биологической точки зрения он демонстрирует, каким образом растения могут ориентироваться в изменяющихся условиях среды, используя простые и надёжные сигнальные системы, не требующие специализированных органов. Процесс обнаружения нарушений барьеров через утечку и поступление газов — это элегантное решение проблемы самоконтроля тканей у неподвижных организмов. С практической точки зрения понимание механизмов восстановления барьерных тканей открывает перспективы для сельского хозяйства, лесного и садоводческого производства.

Например, ускорение регенерации защитных слоёв в коре деревьев или кожуре плодов поможет снизить потери от заболеваний и внешних повреждений, а также повысит устойчивость растений к неблагоприятным факторам. Контроль и модификация этиленового и кислородного сигнала могут стать инструментами для управления процессами заживления и формирования защитных оболочек. Кроме того, знание механизмов, с помощью которых растения чувствуют и восстанавливают барьеры, способствует развитию биомиметических материалов и технологий. Перидерма, особенно слой корка, используется человеком с древних времён (к примеру, пробковое дерево). Повышение понимания процессов её формирования и регенерации может вдохновить инновации в области экологичных защитных покрытий и материалов.

Подводя итог, стоит отметить, что растения обладают способностью контролировать целостность своих барьерных тканей через сенсоры, реагирующие на диффузию газов: утечку этилена и поступление кислорода. Это гарантирует своевременный запуск процессов регенерации и последующее их прекращение при восстановлении барьера. Газовое слежение — это универсальный, простой и эффективный механизм, реализующийся в разных органах и видах растений, позволяющий им приспосабливаться и выживать в изменчивой среде. Дальнейшие исследования в этой области обещают раскрыть новые горизонты в понимании живых систем и повысить эффективность растениеводства.