Барьерные ткани у растений являются важным элементом для защиты от неблагоприятных факторов окружающей среды, таких как потеря воды и заражение патогенами. Одним из таких барьеров является перидерма — наружная защитная ткань, формирующаяся в процессе вторичного роста. Она состоит из нескольких слоев клеток, главным образом феллемы (пробки), пеллогена и пеллодермы. Феллема, или пробка, специализирована для отложения таких веществ, как лигнин и суберин, которые обеспечивают прочный физический барьер. Несмотря на свою устойчивость, перидерма подвержена повреждениям, и способность растения своевременно восстанавливать этот барьер напрямую влияет на его выживаемость.
На деле механизмы, с помощью которых растение фиксирует повреждения и инициирует регенерацию, долгое время оставались загадкой. Современные исследования выявили, что газовая диффузия играет ключевую роль в мониторинге целостности барьерных тканей. В частности, ученые изучили реакции корней растения Arabidopsis thaliana, пришедшие к выводу, что газы этилен и кислород — два важных маркера, движение которых через ранки помогает растению определить уровень повреждений и запустить восстановительные процессы. В нормальном состоянии перидерма ограничивает диффузию этих газов: этилен накапливается внутри тканей, а кислород проникает крайне ограниченно, создавая гипоксическую среду во внутренних слоях. При повреждении перидермы происходит утечка этилена через рану и одновременный приток кислорода внутрь.
Эти изменения приводят к ослаблению этиленового сигнала и снижению гипоксической реакции. Ослабление этих сигналов становится катализатором для активации генов, ответственных за восстановление перидермы. Сначала в течение суток после повреждения отмечается активация генов, связанных с дифференцировкой пробковых клеток, затем на второй день возникают признаки деления пеллогена, а к четвертому дню начинается непосредственное образование новых клеток феллемы с отложением лигнина и суберина. В итоге формируется полноценный физический барьер, восстанавливающий функцию защиты. Особенно интересна роль этилена, — газового гормона, участвующего в росте и развитии растений.
Являясь летучим, этилен способен быстро распространяться через ткани. До повреждения в перидерме накапливается значительный уровень этилена, который поддерживает определенный уровень сигнальной активности внутри тканей. Однако при нарушении барьера этилен начинает выходить наружу, что снижает внутритканевый уровень этилена и ослабляет связанный с ним путь сигнализации. Дополнительные эксперименты показали, что химическое введение предшественника этилена — 1-аминциклопропанкарбоновой кислоты (ACC) — в зоне раны, наоборот, подавляет регенерацию. Это демонстрирует обратную связь, в которой уменьшение этиленового сигнала стимулирует восстановление барьера, а его усиление тормозит процессы регенерации.
Параллельно с этим происходит насыщение тканей кислородом. Обычно внутри перидермы сохраняются относительно низкие уровни кислорода из-за ограниченной газопроницаемости. Повреждение же приводит к проникновению воздуха внутрь, изменяя гипоксическую среду. Длительное отсутствие или снижение гипоксии также является сигналом для запуска восстановительных механизмов. В экспериментах с мутантами Arabidopsis с нарушенным путем гипоксической сигнализации было подтверждено, что если гипоксическая реакция сохраняется на высоком уровне, восстановление перидермы значительно затрудняется.
Важным аспектом является заслуживающий внимания механизм взаимодействия сигналов этилена и кислорода. Оба сигнала действуют аддитивно — то есть снижение обоих приводит к максимальной стимуляции восстановительных процессов. Этот двойной контроль гарантирует более точное распознавание повреждений и координацию реакции, позволяя избежать лишнего разрастания защитных тканей или преждевременного окончания регенерации. Кроме корней, аналогичные процессы были зафиксированы и в стеблях растения. При повреждении эпидермиса стебля, который служит его основным барьером, происходит образование пеллемо-подобных слоев, защищающих внутренние ткани.
Здесь также отмечается выход этилена через повреждение и влияние на процесс регенерации, однако гипоксическая сигнализация играет менее значимую роль. Эти наблюдения подтверждают универсальность механизма газовой диффузии в контроле целостности барьеров у разных органов растений. Мониторинг целостности барьера через газовую диффузию является эффективным способом для растений быстро и экономично реагировать на повреждения. Это исследование открывает новое понимание того, как растения используют физические свойства газов для внутренней коммуникации и предотвращения повреждений, не требуя сложных биохимических путей или специфических рецепторов, которые работают на локальном уровне. Практическое значение этих открытий выходит за рамки базовой науки.
Понимание механизмов восстановления барьеров имеет большое влияние на сельское хозяйство и растениеводство. Например, эффективное заживление ран у фруктовых культур снижает потери от инфекции и обезвоживания. Кроме того, породы деревьев, используемые в промышленности для производства пробки, могут быть улучшены через биотехнологии, направленные на ускорение и оптимизацию регенерации перидермы. Современная биотехнология может использовать эти знания для создания растений с улучшенным механизмом восстановления барьеров, что повысит устойчивость к стрессам и повысит урожайность. Помимо биологических аспектов, идея контроля через диффузию газов может вдохновить создание новых биоинженерных систем и материалов с самовосстанавливающейся способностью.
В заключение, растения обладают уникальной способностью контролировать целостность своих барьерных тканей благодаря восприятию диффузии этилена и кислорода. Это простой, но эффективный механизм, который обеспечивает быструю реакцию на повреждения и регулирует процессы заживления. Такие открытия расширяют наше понимание коммуникации внутри растительных организмов и открывают новые перспективы для применения в аграрной науке и биотехнологии.