Растения, как и все живые организмы, окружены барьерными тканями, которые выполняют важнейшую защитную функцию, оберегая внутренние структуры от неблагоприятных факторов окружающей среды, таких как потеря влаги и проникновение патогенов. Одним из таких барьеров является перидерма — защитная ткань, которая формируется в процессе вторичного роста и играет важную роль на протяжении всего жизненного цикла растения. От целостности этой ткани напрямую зависит способность растения противостоять инфекциям и неблагоприятным абиотическим условиям. Но как растение «знает», что его защитный барьер повреждён и требует восстановления? Современные исследования раскрывают удивительную биологическую систему, основанную на реакции растений на диффузию газов, таких как этилен и кислород, через повреждённые участки. Перидерма — это сложная многослойная структура, состоящая из трёх основных типов клеток: феллемы (известной как пробка), феллогена (меристема второго порядка) и феллодермы.
Феллема непроницаема из-за наличия в её клеточных стенках лигнина и суберина, которые обеспечивают прочную защиту и препятствуют газо- и водообмену. Таким образом, в здоровой ткани внутри перидермы концентрация некоторых газов, например этилена, может накапливаться, в то время как кислород имеет ограниченный доступ. Эти газовые условия создают уникальную среду, важную для нормального функционирования и развития тканей. Механическое повреждение перидермы меняет ситуацию. Там, где барьер нарушен, происходит утечка газов — этилен выходит наружу, а кислород поступает внутрь ткани.
Этот процесс диффузии меняет локальный газовый состав в тканях возле раны и служит сигналом для растений о необходимости начать процесс регенерации. Именно на основе этих изменений растения способны активировать определённые гены, запускающие восстановление защитного покрытия. Одним из ключевых открытий в этом направлении стала идентификация роли этилена — газообразного фитогормона, активно влияющего на рост и развитие растений, а также на ответ на стрессовые факторы. Обычно этилен скапливается в тканях, где его диффузия ограничена, и передаёт клеткам сигналы о состоянии среды. Когда же рана повреждает перидерму, этилен начинает активно выходить наружу.
Это приводит к снижению этиленового сигнала внутри тканей, что в свою очередь запускает механизмы регенерации. Исследования на модели растения Arabidopsis thaliana показали, что после травмы корня быстро снижается внутритканевый этиленовый сигнал, что можно регистрировать при помощи специального этиленового репортера. Этот спад является необходимым для активации таких генов, как PER15, которые связаны с формированием новых клеток феллемы. Интересно, что если искусственно повысить уровень этилена в тканях при помощи лечения прекурсором этилена (ACC), регенерация перидермы замедляется или нарушается, что свидетельствует о строгой зависимости процесса от снижения этиленового сигнала. Важным дополнением к роли этилена выступает кислород — газ, необходимый для дыхания и некоторых метаболических процессов.
В нормальных условиях перидерма ограничивает проникновение кислорода внутрь, создавая локальные гипоксические (низкооксигенированные) условия, которые помогают поддерживать ткань в определённом состоянии покоя. При повреждении барьера кислород начинает проникать внутрь, снижая уровень гипоксии и изменяя активность соответствующих генов, таких как регулируемые PLANT CYSTEINE OXIDASE (PCO). Оказалось, что этот процесс имеет стимулирующее воздействие на регенерацию и образование новых слоёв перидермы. Комбинация изменений в уровне этилена и кислорода действует синергично. Высокий уровень кислорода и одновременно низкий уровень этилена в переувлажнённых условиях или при сильном повреждении значительно активируют гены регенерации.
Напротив, искусственное поддержание высокого уровня этилена и гипоксии подавляет восстановительные процессы. Таким образом, растения используют диффузию газов не только для обнаружения повреждений, но и для контроля временных рамок их восстановления. Проводимые эксперименты показали, что если повреждённые участки немедленно покрыть плотным материалом, препятствующим газообмену, то физиологические сигнальные изменения в тканях не возникают, а регенерация прерывается. Это подтверждает гипотезу, что именно движение газов через разрывы в барьере служит ключевым сигналом. Помимо корневой перидермы, аналогичные механизмы обнаружены и в надземных частях растений, например, в стеблях.
Там при повреждении эпидермиса, который выполняет защитную функцию, также происходит изменение газового обмена и активация генов, связанных с образованием суберинизированных клеток. Хотя роль этилена и гипоксии в этом процессе менее выражена, общая концепция газового мониторинга целостности тканей остаётся актуальной. Данное открытие имеет важное значение не только для понимания фундаментальных процессов физиологии растений, но и для сельского хозяйства. Способность быстро и эффективно восстанавливать барьерные ткани повышает устойчивость растений к патогенам и неблагоприятным условиям окружающей среды. В будущем, зная эти механизмы, можно будет разрабатывать новые стратегии повышения устойчивости сельскохозяйственных культур, используя газы или их аналоги для стимуляции заживления.
Кроме того, изучение газового мониторинга целостности барьеров открывает возможности для создания биосенсоров и применения синтетической биологии для управляемого контроля роста и развития растений. Этот механизм демонстрирует, как растения интегрируют физические и биохимические сигналы для адаптации и поддержки своего здоровья на клеточном уровне. Таким образом, земляная флора оснащена удивительной системой слежения за своими защитными барьерами через сенсорное восприятие газовой диффузии. Снижение этиленового сигнала и повышение уровня кислорода после травмы активируют набор генов регенерации и запускают формирование новой перидермы, которая восстанавливает защитные функции. Когда новый барьер полностью образован, газовый обмен возвращается к исходным условиям, и процесс регенерации прекращается, что свидетельствует о высокоэффективном обратном контроле.
Эта система иллюстрирует изумительную адаптивность растений и их способность «услышать» мельчайшие изменения в окружающей среде, используя простое, но эффективное средство — газы.
