植物作为固定生物体，必须依赖自身的屏障组织来维护体内环境与外部环境的分隔，防止水分大量流失与病原体入侵。其中，周皮组织作为许多种子植物在次生生长阶段形成的外层保护结构，扮演着极为重要的角色。周皮包括皮层（栓层）、栓形成层与栓内层三种细胞类型，这些细胞通过沉积木质素和脂质类物质（如软木质素和栓质）在细胞壁中，形成坚固且防水的屏障。然而，周皮经常遭遇机械损伤，其修复和再生对于植物适应环境与保证生命活动极为关键。长久以来，植物如何监测其屏障损伤并启动有效修复的机制备受关注。近期发表在《自然》杂志上的研究揭示，植物能够通过感知乙烯和氧气两种气体的扩散变化，来监控屏障完整性并调控再生过程，为我们揭开了植物防御机制的神秘面纱。
乙烯作为一种重要的植物激素，广泛调节植物生长发育及应对逆境。其小分子气体的特性使其易于扩散，并能快速传递环境变化信息。研究发现，植物体内的周皮组织通常限制乙烯的扩散，造成局部乙烯浓度较高，形成乙烯积累区，维系屏障的稳态。伤口发生后，乙烯通过破损部位向外逸散，导致受伤部位乙烯信号的减弱。该信号变化被植物感知后，触发周皮的再生与分化过程。换言之，乙烯通过气体的“泄漏”及信号通路的降调，成为屏障受损的早期标志，并启动修复机制。
与此同时，氧气也是植物监测屏障状态的重要气体信号。由于周皮的气体阻隔特性，次生组织内部多处处于相对缺氧（低氧）环境。当屏障受损，氧气能够通过伤口进入组织深层，减少细胞的低氧信号。此氧气水平的提升促进低氧信号相关基因表达的下调，进一步推动周皮细胞的活化与分裂。低氧信号调控的一系列下游反应与植物细胞的代谢、发育密切相关，故氧气通过反转低氧状态帮助植物评估伤口修复的进展。 乙烯信号的降低与氧气信号的提升在促进周皮再生中呈现叠加作用。
当乙烯水平保持较高或低氧信号过强时，周皮的再生进程受阻或延迟。研究中通过人工调控乙烯前体（如ACC）处理，以及使用乙烯信号缺失的突变体，加强低氧信号等方法，验证了两者在调节周皮再生过程中的重要作用及其协同调节机制。周皮再生过程中，植物通过感知乙烯逸散与氧气进入的动态变化，适时启动细胞分化和屏障重建，直至屏障恢复完整性，乙烯与低氧信号返回到受伤前的稳态水平，终止修复过程，避免屏障过度生长。 这套基于气体扩散监测屏障完整性的原理，不仅局限于地下根部周皮组织。据研究，植物地上的茎秆表皮损伤后，新生的保护层同样受气体扩散水平的调控。也就是说，植物广泛利用气体扩散信号作为一种快速、有效的“自我监控”反馈机制，适应不同器官组织的保护需求。
植物能够借助气体这种自然流动的分子，监测自己屏障的“密闭性”，并据此激活修复流程，相较于其他信号分子，如肽类激素或传统激素信号，气体扩散作为机械性与物理性信号感知方式，简洁且直接。它无需复杂的空间定位即可反映损伤程度与范围。与此同时，气体信号的扩散特性意味着它可能提供的是整体环境端口的监控，而具体的细胞定位和再生模式则可能依赖于其它信号通路的协同调节，包括机械信号、生长激素、局部转录因子表达等。 乙烯与氧气信号在植物屏障完整性监测中的发现，为植物生理学提供了关键新视角，也对农业生产与植物组织工程有着潜在的启示意义。例如，通过调控乙烯信号、氧气供应或模拟其扩散环境，有望在农作物受伤时人为促进保护组织快速修复，降低病害入侵风险，提高植物的抗逆能力。同时，也为林业中软木形成机制的优化提供了基础理论支持。
总而言之，植物依靠乙烯“泄漏”与氧气“渗入”这两种气体信号的动态变化，将伤口信息转化为生命修复的行动指南，体现了其高效的自我监测与调节能力。这一发现不仅深化了我们对植物屏障组织发育与再生机制的理解，也彰显了植物在进化中借助环境物理规律优化生存策略的智慧。未来随着分子生物学和成像技术的进步，我们期待揭示更多关于气体信号在植物其他重要生命活动中的作用，全面解析植物如何把握周遭环境的细微变化，协调应答，实现自身的健康和稳态。
