植物生活在充满不确定性的自然环境中，其屏障组织承担着保护体内组织免受水分流失和病原体侵染的重任。作为植物与外界环境的直接接触界面，屏障的完整性对于植物的生存至关重要。然而，屏障组织难免受到机械损伤，植物如何感知自身屏障的破损并启动修复机制，长期以来是植物生理研究的重要课题。最新研究揭示，植物能够通过感知气体的进出扩散动态，监控其屏障是否完整，从而以高度精密的方式调控屏障组织的再生。 以阿拉伯芥为模式植物的研究发现，植物屏障主要由被称为栓皮层的组织构成，这是次生生长过程中形成的保护层，包含细胞壁内积累的木质素和脂质（亚油酸），有效阻止水分散失及外界有害物质入侵。栓皮层包括栓层细胞、栓形成层和栓皮层，而栓层细胞中的亚油酸和木质素沉积增强了屏障的物理防御功能。
伤口或机械损伤破坏了这一层结构，植物必须及时通过细胞分裂和分化再生屏障组织以应对外界威胁。 关键发现指出，植物在屏障组织受损时，可感知乙烯和氧气两种气体通过伤口的扩散变化。正常情况下，完整的栓皮层限制了乙烯和氧气的自由流动，乙烯作为植物的气体激素，在局部积累有助于抑制不必要的细胞分裂和发育。伤口发生瞬间，体内积累的乙烯通过损伤区域逸出，导致局部乙烯信号迅速降低，同时氧气进入受损组织，缓解原本因屏障阻隔而形成的低氧（缺氧）状态。 乙烯信号的降低与氧气的再供应协同作用，共同激活了受损区域的细胞分裂和栓皮层细胞的分化程序，推动屏障的重建。值得关注的是，单独调节乙烯信号或氧气水平对屏障再生影响有限，但二者的结合则能显著促进或抑制再生进程，体现出两者在维持内环境稳定中不可或缺的协调机制。
体外实验和活体成像技术揭示，乙烯信号抑制促进了栓皮层特异基因如PEROXIDASE15(PER15)的表达，促进亚油酸和木质素在新细胞壁的沉积，修复屏障功能。乙烯敏感突变体表现出异常的屏障再生，确认了乙烯信号通路在该过程中起到负调控作用。氧气作为细胞代谢的必需气体，其通过伤口的流动使得细胞迅速摆脱缺氧状态，关闭缺氧信号，从而解除对修复抑制的负反馈。 更为重要的是，气体扩散同时作为信号机制调节修复过程的开闭。屏障恢复完整，乙烯和氧气的流动受限，信号水平回复至初始状态，启动修复过程的刺激随之终止，避免过度修复导致资源浪费或组织异常生长。此生理反馈调控体现了植物利用物理特性监控自身组织状态的独特方式。
类似的气体监测机制不仅限于根部的栓皮层，研究表明，阿拉伯芥茎部的表皮受损后也会形成类似栓层的细胞，且气体扩散在愈合过程中起着重要作用。茎部屏障的修复受乙烯水平变化影响较小，暗示存在其他挥发性分子参与此类修复机制，体现出植物在不同器官对屏障完整性的感知机制存在一定多样性。 这项研究拓宽了对植物伤口响应机制的理解。尽管传统观点认为植物伤口部位会诱导乙烯的生物合成并促进修复，最新发现却指出伤口部位乙烯信号的降低才是启动屏障再生的关键，这意味着植物不仅关注激素浓度上升，同样重视其局部减少作为发育信号的可能性。结合氧气通量作为信号，形成了复杂但高效的双向调控网络。 乙烯和氧气信号的平衡对诸如防止病原入侵、维持水分稳态和机械支撑等方面至关重要。
屏障组织的动态调整确保了植物在变化多端的环境中既能快速响应伤害，又能控制生长避免过度发展，体现出适应性的生理智慧。 此外，这种通过气体扩散感知屏障完整性的机制有望启示新型农业技术的发展。通过调控环境中气体成分，或设计干预分子影响乙烯和氧气信号通路，或许能增强植物的伤口愈合能力，提高作物抗逆境性能和产量，具有重要的实际应用潜力。 总的来说，植物利用乙烯和氧气两种气体在受损屏障区域的扩散变化，监测并调控其屏障组织的完整性与再生。乙烯的逸出降低其信号，氧气流入解除缺氧响应，二者协同启动细胞激活和屏障重建；屏障恢复后气体扩散受限，信号水平恢复，修复过程精确终止。这项发现展现了植物利用周围环境物理属性进行内部状态监测的巧妙策略，丰富了植物生物学领域关于伤口修复及组织稳态的新认知。
未来深入解析该机制的分子细节及其在不同植物种和环境条件下的表现，将推动我们更好地理解植物如何适应复杂生态系统。
