Растения, как живые организмы, активно взаимодействуют с окружающей средой и нуждаются в надежной защите своих внутренних тканей от внешних воздействий. Одним из основных способов такой защиты является формирование барьерных тканей, таких как перидерм или кутикула, которые предотвращают потерю влаги и проникновение патогенов. Однако эти защитные оболочки не являются вечными и могут подвергаться повреждениям, вызванным механическими травмами или другими факторами. Для поддержания жизнеспособности и устойчивого роста растения должны не только восстанавливать поврежденные барьеры, но и контролировать их целостность. Современные исследования в области растительной биологии выявили удивительный механизм, с помощью которого растения осуществляют такой контроль — они «чувствуют» диффузию газов, например, этилена и кислорода, через поврежденные участки.
В основе этой системы лежит тот факт, что барьерные ткани препятствуют свободному прохождению газов. Внутри неподвижных или неповрежденных тканей концентрация этилена, газообразного гормона растений, удерживается на сравнительно высоком уровне, а кислород проникает внутрь с большим трудом, создавая физиологический гипоксический (низкокислородный) микроклимат. При повреждении барьера происходит изменение газового обмена: этилен начинает улетучиваться наружу через открытую рану, а кислород свободно проникает внутрь. Эти сдвиги в уровнях газов воспринимаются клетками растения как сигналы необходимости начать процесс регенерации защитного слоя. Этилен, как гормон, известен своей ролью в регуляции различных аспектов роста и ответов растения на стрессовые условия.
Накопление этилена в тканях обычно сигнализирует о замедлении роста и активации защитных механизмов. Однако, когда происходит повреждение перидермы, концентрация этилена внезапно снижается из-за его выхода из тканей, что приводит к ослаблению этиленового сигнала вблизи раны. Этот пониженный сигнал запускает распознавание повреждения и стимулирует образование новых защитных клеток, восстанавливающих барьер. Важно отметить, что при искусственном повышении этиленового сигнала в раневой зоне процессы регенерации тормозятся, что подтверждает обратную связь между утечкой этилена и восстановлением тканей. Одновременно с этим акцентируется роль кислорода.
Наружный кислород проникает в поврежденные ткани и устраняет существующий физиологический уровень гипоксии, нормальный для внутренних слоев растения. Поддержание гипоксии, напротив, предотвращает формирование восстановительного слоя, тогда как поступление кислорода стимулирует процессы регенерации. Таким образом, снижение сигналов гипоксии после повреждения дополнительно активирует формирования новых клеток перидермы. Эксперименты с модельным растением Arabidopsis thaliana показали, что именно взаимное изменение диффузии этилена и кислорода через поврежденную защитную ткань служит важнейшим сигналом, позволяющим клеткам оценить степень повреждения и правильно отрегулировать воссоздание барьера. После восстановления целостности перидермы газообмен нормализуется — этилен перестает выходить наружу, а кислород прекращает свободно проникать внутрь.
В результате этиленовый сигнал повышается до исходного уровня, гипоксия возвращается, и регенерация завершается. Этот механизм не ограничивается только корневыми тканями и перидермою. Аналогичные процессы наблюдаются и в надземных органах, например, в стеблях Arabidopsis, где эпидермис с кутикулой выполняет функцию барьера. При повреждении эпидермиса через раневую поверхность также происходит утечка газов и изменения в их концентрации, которые запускают формирование нового защитного слоя. Однако в стеблях обнаружена меньшая роль как этилена, так и гипоксии, что говорит о том, что помимо газов важны и иные сигнальные молекулы для регуляции восстановления барьеров в разных органах растений.
Понимание работы данного механизма имеет не только фундаментальное значение, раскрывая тонкости восприятия повреждений и регенерации у растений, но и практическую ценность. Перидерма, помимо прочей биологической роли, используется в промышленности — например, пробковое дерево является источником пробки для множества применений. Улучшение знаний о регуляции целостности барьерных тканей может позволить повысить устойчивость сельскохозяйственных культур и плодовых растений к механическим повреждениям и патогенам, а также оптимизировать процессы выращивания и переработки. Ранее считалось, что растения воспринимают повреждения и инициируют восстановительные процессы преимущественно через гормональные сигналы и специфические белковые рецепторы, которые фиксируют утечку тканей или повреждение клеточной стенки. Новейшие открытия указывают, что газовая диффузия — более универсальный и простой по природе способ контроля — дополнительно выполняет функцию «мониторинга», позволяя быстро и эффективно среагировать на нарушение барьерной функции.
Газовые молекулы, обладающие высокой диффузионной способностью, могут передавать сигналы на расстоянии, обеспечивая согласованность восстановительных процессов на уровне всего органа. Возникает вопрос, как же поддерживается пространственная точность реакции, если газы быстро распространяются? Ответ заключается в том, что диффузия газов создает общее состояние, указывающее на наличие повреждения, но для точного определения местоположения регенерации необходимы дополнительные факторы. Вероятно, такие молекулярные сигналы, как пептиды, другие фитогормоны и механические стимулы, располагающиеся локально вблизи раневой поверхности, действуют в комплексе с газовыми сигналами. Таким образом, газовые изменения могут создавать «окружающую» сигнальную среду, которая разрешает или препятствует активации этих локальных факторов и тем самым координирует позиционирование новых барьерных клеток. Соединение газовых сигналов с классическими ферментативными и гормональными путями в растениях дает представление о глубокой интеграции экологических и внутренних факторов.
Это позволяет растению не только восстанавливать механические повреждения, но и адаптироваться к изменяющимся условиям среды, таким как уплотнение почвы, избыток влаги или повреждения от вредителей. В заключение, сенсорика диффузии газа в тканях растений представляет собой инновационный и элегантный механизм контроля целостности их барьеров, который дополняет существующие представления о растительном стрессе и регенерации. Эти знания открывают новые перспективы для биотехнологий, направленных на повышение устойчивости культурных растений и эффективное восстановление их защитных систем после повреждений. Впереди множество исследований, которые позволят глубже понять взаимодействие газовых сигналов с пептидными и гормональными системами, а также применить этот механизм для создания более сильных и адаптированных растений.
