Растения постоянно взаимодействуют с окружающей средой, и их выживание во многом зависит от способности поддерживать непрерывность и надежность барьерных тканей, которые защищают внутренние органы от механических повреждений, потери воды и проникновения патогенов. Эти эффективные барьеры, такие как перидерма в многолетних растениях и эпидермис с кутикулой в однолетних, выполняют роль прочной, но динамичной оболочки, способной к восстановлению после травм. Новые научные исследования раскрывают удивительную способность растений контролировать целостность этих оболочек через восприятие изменений в диффузии газов, в частности этилена и кислорода. Перидерма — это внешняя защитная ткань, формирующаяся в период вторичного роста у многих семенных растений. Она состоит из трех типов клеток: феллемы (пробки), пеленгена и феллодермы.
Являясь главным барьером, перидерма эффективно предотвращает потерю влаги и инфицирование внутренних тканей. Однако в результате механических повреждений, таких как раны или порезы, ее целостность нарушается, что ставит под угрозу жизнеспособность растения. Восстановление перидермы в поврежденных местах крайне важно для защиты организма и обеспечения дальнейшего роста. Ключевой вопрос, который долго оставался без ответа, — каким образом растение узнает о повреждении и запускает регенерацию перидермы. Современные работы, проведенные на модели Arabidopsis thaliana, показали, что растения умеют «чувствовать» изменение газового состава в зоне повреждения благодаря диффузии этилена и кислорода через рану.
В здоровых участках перидерма сдерживает выход этилена и вход кислорода, создавая определенный режим локальной газовой среды — накопление этилена и понижение кислорода в тканях. После повреждения ткань перестает быть непроницаемой, и этилен начинает выходить наружу через открытую рану. Это приводит к снижению этиленового сигнала внутри тканей и одновременно кислород проникает внутрь, устраняя гипоксию, характерную для здоровых вторичных тканей. Такая смена газовой среды является сигналом для запуска процессов регенерации. Этилен — это растительный гормон, который регулирует развитие и стрессовые реакции.
Его способность накапливаться в условиях ограниченной диффузии газов делает его идеальным индикатором состояния ткани. Ранняя активация генов перидермы, таких как PER15, PER49 и WOX4, происходит именно благодаря падению этиленового сигнала. При этом искусственное повышение концентрации предшественника этилена, 1-аминогруппойцпропан-1-карбоновой кислоты (ACC), приводит к подавлению регенерации, подтверждая обратную связь этого газа с процессом заживления. Важную роль играет и кислород, уровень которого в здоровых помещениях вторичной ткани низок из-за непроницаемости оболочек. Повреждение приводит к быстрой рекомбинации кислорода в ткани.
Это уменьшает гипоксический сигнал, что способствует активизации клеточного деления и дифференцировки необходимых для формирования пробки клеток. Анализ экспрессии регуляторов гипоксии, таких как PCO1 и PCO2, показывает снижение их активности после травмы, подтверждая важность повышения концентрации кислорода для запуска регенеративных процессов. Интересно, что оба газы работают в тандеме — одновременное снижение этиленового и гипоксического сигналов приводит к оптимальными условиям для восстановления перидермы. Мутации, вызывающие постоянную гипоксию, либо добавление ACC приводят к недостаточной или нарушенной регенерации. Таким образом, процессы синхронизированы и обеспечивают точный контроль над восстановлением барьера.
Кроме корней, похожий механизм действует и в других органах растения. Например, при повреждении эпидермиса побегов Arabidopsis образуется пробкообразный слой, повторяющий свойства перидермы. Здесь также наблюдается выход этилена через рану и проницаемость для кислорода. Однако в данном случае гипоксия играет менее значительную роль, а участие этилена носит частичный характер, что говорит о разнообразии способов мониторинга целостности барьеров в различных тканях. Практическое значение выявленных механизмов не ограничивается ботаникой.
Понимание газовой сигнализации при заживлении ран открывает новые возможности для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к травмам и патогенам. Например, модуляция этиленового сигнала или локальное управление газообменом может повысить эффективность восстановительных процессов в культурах, подвергающихся механическим воздействиям или повреждениям при сборе урожая. Эти открытия также позволяют по-новому взглянуть на фундаментальные процессы восприятия повреждений в растениях, которые ранее связывались преимущественно с химическими и клеточными сигналами. Газовый мониторинг представляет собой более простой и экономичный способ контроля целостности, позволяющий быстро и эффективно реагировать на травмы. В перспективе важно изучить взаимодействие газового сигнального пути с другими известными системами контроля целостности, такими как пептидные гормоны и гормональные циклы.
Также стоит исследовать, как именно пространственно ограничивается ответ, поскольку диффузия газов не предоставляет точных локальных сигналов. Подведя итог, можно с уверенностью сказать, что растения обладают уникальной способностью отслеживать состояние своих внешних барьеров через динамическую регуляцию газообмена, что помогает им инициировать и завершать процессы заживления ран. Этилен и кислород выступают в качестве ключевых газовых индикаторов, чье поступление и утечка обеспечивают сбалансированный контроль регенерации. Такое газовое «чувство целостности» демонстрирует беспрецедентный уровень адаптивности и интуиции живых систем, поражая своим изяществом и эффективностью.
