植物的生存离不开其复杂且有效的防护系统，尤其是在面对机械损伤和病原侵袭时，保护屏障的完整性至关重要。植物的屏障组织如树皮和表皮，不仅阻止水分流失，还防御有害微生物入侵。然而，随着植物生长发育及外界环境的挑战，屏障组织不可避免地遭受破损和损伤。植物究竟如何察觉屏障的破损，并启动修复机制，长期以来一直是植物生物学领域的研究热点。近期一项重要的科学研究揭示，植物通过感知气体的扩散动态来监控屏障的完整性，这一发现为我们理解植物的伤口感知机制提供了全新视角。 在许多种子植物中，次生生长期间会形成一种名为软木层（或周皮）的保护组织，作为外层屏障，有效减少水分蒸发和防止病原体侵入。
软木层由软木层细胞、软木形成层和软木皮层组成，其中外层的软木细胞通过沉积木质素和栓质，使细胞壁变得坚硬并具有防水性能。然而当软木层受损时，植物必须及时再生这一屏障以保护内层组织免受损害。 研究人员以模式植物拟南芥的根部为研究对象，开展了精细的机械损伤实验，沿根部纵向切割受伤部位，并跟踪任何再生过程。通过对软木层相关基因的表达分析，他们发现，在受伤后第一天，软木细胞相关基因显著诱导表达，随后当软木形成层样细胞开始分裂，且软木细胞开始分化堆积木质素和栓质时，屏障功能得以逐步恢复。与此同时，利用穿透性检测技术观察，受伤的根部屏障重新建立后能够阻止染色剂的渗入，证明再生的屏障具备防御功能。 更加引人注目的是，研究揭示了植物利用气体扩散特性感应屏障损伤的关键机制。
植物体内常见的两种气态信号分子——乙烯和氧气，充当了这一系统的核心。乙烯是一种众所周知的植物激素，主要负责调节植物生长与应激响应。正常情况下，在完整的软木层屏障下，乙烯气体被屏障阻挡在体内升高浓度；同时，氧气因其难以渗透而使次生组织处于相对缺氧的状况。软木层破损后，乙烯便会通过伤口逸散到外部环境，同时氧气从外界进入植物组织，导致乙烯信号被抑制、缺氧信号减弱，从而激发软木层的再生。 换言之，乙烯的扩散泄露和氧气的流入为植物提供了直接的化学线索，告诉植物屏障已受损，必须启动修复程序。研究中通过创新的乙烯信号荧光报告器技术，发现乙烯信号在受伤局部迅速下降，而证明氧气水平的测量则显示伤口处氧气浓度明显上升，印证了研究假说。
更重要的是，屏障只要修复完毕，乙烯信号和缺氧信号就会迅速恢复至损伤前水平，体现了这一过程的可逆性和灵敏性。 除了信号动态变化，实验还探讨了乙烯和氧气信号在软木恢复过程中的作用。通过外源添加乙烯的前体物质（ACC）实施人工提高乙烯信号，诱导其持续性增强，软木基因的诱导表达和细胞分化均被抑制，软木再生受阻。反之，稳定激活缺氧信号的突变体表现出软木再生障碍，进一步印证了乙烯和氧气信号减弱对于软木恢复的重要意义。而两者的双重持续激活几乎完全阻断了再生过程，显示出这两个信号通路互为补充，协调调控再生机制。 值得注意的是，当伤口被物理性密封，如用凡士林或脂质物质覆盖时，乙烯气体就无法逸出，氧气无法自由进入，植物体内的乙烯信号维持在较强水平，缺氧信号依然保持活跃，导致软木相关基因的激活被抑制，屏障修复进展迟缓甚至失败。
此实验证明，气体的自由扩散对于屏障的监控和再生不可或缺。 除了根部，研究亦验证了植物在其他部位，如开花茎的表皮屏障。茎表皮仍然具备受损再生保护层的能力，切口处产生表皮层类似的细胞分化，覆盖伤口防御。封口实验同样显示，阻止气体扩散显著抑制修复相关基因表达和组织再生。然而在茎部，缺氧信号对再生影响较小，乙烯外的其他挥发性分子可能也参与了屏障的监控和恢复。 该发现不仅加深了我们对植物伤口愈合和屏障再生机制的理解，也为未来农业生产和园艺作物的管理提供理论依据。
通过调节气体信号环境，有望促进作物对机械损伤的适应能力，提高其抗病性和储存品质。软木的经济价值，如橡木栓的产业利用，也因此受益。 此外，植物通过感知气体扩散来调节生长发育的现象，在调控根部发育以适应土壤压实和水涝等不良环境中已有报道。当前研究进一步指出，这一机制作为一种普遍的监控系统，帮助植物感知外界环境及自身结构的变化，并做出相应调节。与基于肽类信号及空间定位的屏障监控不同，气体扩散快速且无方向性，可能更适合作为一个整体状况的报警系统，为局部信号提供“许可”性的控制环境。 未来的研究将致力于揭示乙烯和氧气信号如何与其它分子机制、激素信号和机械感应通路共同作用，精准调控屏障组织的定位和再生。
同时，扩展该发现关于其他植物种类与器官的适用性，也有助于开发新的植物保护战略。总的来说，气体扩散感知作为植物防护机制的重要组成部分，体现了植物对环境细致灵敏的响应，也彰显了生命系统多层次多维度的适应智慧。
