Растения, несмотря на свою неподвижность, обладают удивительными механизмами адаптации и защиты от окружающих неблагоприятных условий и механических повреждений. Одним из важнейших компонентов их устойчивости к стрессу является защита внутренних тканей при помощи барьерных оболочек. К таким естественным барьерам у растений относится перидерма, которая формируется в процессе вторичного роста корней и других органов. Она надежно изолирует внутренние ткани от потери воды, проникновения патогенов и воздействия других внешних факторов. Однако повреждения, механические воздействия или природные процессы способны нарушить целостность перидермы и подвергнуть растение опасности.
В связи с этим возникает важный вопрос: как растения контролируют целостность своей барьерной ткани и своевременно инициируют процессы ее восстановления? Прогрессивные биологические исследования последних лет позволили раскрыть удивительный механизм: растения способны отслеживать повреждения приграничных слоев, используя диффузию газов — этилена и кислорода. Этот механизм осознается как общий принцип контроля целостности барьерных тканей не только в корнях, но и в надземных частях растений, таких как стебли. Основное открытие стало результатом исследований на модели растения Arabidopsis thaliana, широко используемой в современной биологии. Было обнаружено, что при повреждении перидермы происходит обмен газами: этилен, накопленный внутри тканей, поступает в окружающую среду через рану, а кислород проникает внутрь поврежденных участков. Такая газовая диффузия приводит к изменению внутриклеточных сигналов, регулирующих процессы регенерации.
Этилен, обладая гормональной функцией, в процессе повреждения выходит наружу, что сопровождается снижением его сигнальной активности внутри тканей. Одновременно с этим кислород, который ранее испытывался тканями в условиях гипоксии из-за плотности барьерной оболочки, начинает активно проникать в поврежденную область, ослабляя гипоксический ответ клеток. Совместно эти два эффекта создают благоприятные условия для восстановления перидермы. Регуляция указанных процессов опирается на сложные биохимические и генетические механизмы. Например, пользующаяся особым вниманием роль этилен-сигнализации проявляется в контроле генов, таких как PER15, PER49 и других маркерах формирования перидермы.
При введении предшественника этилена — 1-аминовциклопропан-1-карбоновой кислоты (ACC) — на поврежденный участок наблюдалось подавление экспрессии этих генов и нарушение процесса формирования слоя суберина, одного из ключевых компонентов барьерной ткани. Однако при повреждении, когда этилен выходит через ранку, происходит обратное действие: снижается внутренний сигнал этилена, и инициируется регенерация. Кислород и его сигнализация также играют не менее важную роль. Барьерные слои, содержащие пхеллемные клетки, обычно создают вокруг тканей гипоксическую среду. При повреждении кислород свободно проникает внутрь с раны, и клетки могут распознать снижение гипоксии.
С использованием специфических маркеров активности генов PLANT CYSTEINE OXIDASE 1 и 2 (PCO1, PCO2), было показано, что после повреждения гипоксический сигнал ослабляется. Мутации в генах, контролирующих путь N-деградации, связанный с кислородным статусом тканей, приводят к нарушениям в ремоделировании барьера, что подчеркивает значимость кислородной сигнализации в этом процессе. Совместное влияние этилена и кислорода складывается в аддитивный эффект, когда одновременное повышение этиленового и гипоксического сигналов значительно тормозит или практически блокирует восстановление перидермы. Напротив, снижение активности обоих сигналов способствует более эффективной регенерации. Это взаимодействие подтверждает идею, что растения используют диффузию газов как сложную систему мониторинга целостности барьеров.
Регенерация перидермы у корней включает раннее появление маркеров для формирования пхеллемных клеток с одновременным усилением клеточного деления в области деления пхеллогена — камбия, ответственного за образование новых клеток барьера. Воссозданная оболочка вновь накапливает лигнин и суберин, обеспечивая герметичность и функциональность барьера. Интересно, что данный механизм работает не только у корней, но и у надземных органов. В стеблях Arabidopsis, где отсутствует классическая перидерма, повреждение эпидермиса также сопровождается образованием пхеллемоподобных слоев и восстановлением барьерных функций. Газовая диффузия через рану становится сигналом, инициирующим этот процесс.
Однако в погодных условиях роль этилена и кислорода может быть менее выражена, поскольку возможны задействования других газов или молекулярных факторов. Фундаментальное понимание этой газовой системы мониторинга открывает широкие перспективы для сельского хозяйства и промышленности. Ускорение и контроль процессов регенерации барьерных тканей может повысить устойчивость растений к механическим повреждениям, болезням и неблагоприятным климатическим влияниям. Также это знание может быть применено при селекции культур с усовершенствованными способностями к самовосстановлению, что позитивно скажется на урожайности и сохранности продукции. В заключение, механизм контроля целостности барьерных тканей растений через диффузию этилена и кислорода — это удивительное проявление тонкой и эффективной системы регуляции.
Он демонстрирует, что растения используют газы не только как метаболические элементы или гормоны, но и в качестве сенсорных сигналов для внутреннего мониторинга и адаптации к повреждениям. Дальнейшие исследования в этом направлении позволят раскрыть дополнительные детали взаимодействия газовой среды с другими регуляторными системами и улучшить наши возможности для управления здоровьем растений в естественной и аграрной среде.
