植物作为固定生物，其生存依赖于有效的屏障组织，将内部细胞与外部环境隔离开来。这些屏障组织不仅防止水分流失，还保护植物免受病原体的入侵和物理损伤。近年来，科学家们在植物屏障完整性维护机制的研究中取得了突破，揭示出植物实际上可以通过感知气体的扩散变化来监控自身屏障的状况。乙烯和氧气，作为植物体内重要的气态分子，成为这种监控机制的核心信号分子。之前人们普遍认为植物通过激素作用和信号传递来感知外界变化，但最新研究显示，气体在植物屏障损伤修复过程中发挥着至关重要的直接感知功能。植物根部的外层屏障主要由次生生长形成的栓皮层(periderm)构成，它由栓层(phellem)、栓形成层(phellogen)和栓内层(phelloderm)三部分组成。
栓层细胞壁中沉积有木质素和亚油酸，一方面加强了物理屏障的坚固，另一方面大幅降低了气体和水分的通透性。正常情况下，这种屏障防止乙烯等挥发性气体逸出，同时限制氧气自由进入，从而在次生组织内维持一定的乙烯浓度和低氧环境。研究表明，当栓皮层发生机械性破损时，乙烯开始通过伤口逸散到外界，而外界氧气则逆向进入组织内部。这种气体浓度的变化被植物感知后，诱发乙烯信号的减弱和低氧信号的衰退，两者联合作用启动栓皮层的再生过程。通过使用转基因荧光报告系统，科学家们观察到在伤口处，乙烯信号降低和氧气进入的特征性变化能够快速激活与栓皮层形成相关的基因。这些基因的表达促进了分生组织细胞的再分裂，继而分化形成新的栓层细胞，重新建立起屏障功能。
同时，乙烯信号在再生过程中起到负调控作用，乙烯浓度降低解除对栓皮层发育基因的抑制，使得再生得以顺利进行。这一现象与乙烯作为压力激素在植物生长调控中复杂的双向作用相呼应。氧气则通过缓解细胞的低氧胁迫，促进分化和发育。在实验设计中，研究人员发现，当伤口被封闭，限制了气体的自由扩散，栓皮层的再生明显受阻，乙烯信号持续高企，同时低氧信号未能有效减弱。相反，如果伤口暴露于环境中，乙烯因逸散而信号弱化，氧气进入减轻组织低氧状态，快速启动屏障修复。这证实了气体扩散本身即为屏障完整性监测的重要信号。
更为重要的是，乙烯信号和低氧信号在调节栓皮层再生中呈现加性作用：两种信号的变化共同决定了再生效率和速度。这种双重气体信号调控为植物提供了灵活且有效的机制，以感知多种环境变化并调适组织修复方案。该机制同样适用于植物茎部的表皮屏障。尽管茎部没有次级形成的栓皮层，但表皮和角质层作为第一道防线，也通过感知类似的气体扩散信号来监控破损和再生。在茎部实验证实，伤口处乙烯释放增加，且覆盖伤口阻断气体扩散会抑制表皮屏障相关基因的诱导和受损区域的封闭重建。此外，相关乙烯信号的突变体显示对伤口再生过程的调节缺失，导致修复过程异常。
由此可见，气体扩散监测不仅是根部屏障的独特策略，更是广泛存在的植物组织屏障监督机制。该研究突破了传统激素和分子信号的范畴，将植物生物学中的气体动态引入组织完整性监控的新视角。气体作为信号分子的扩散特性为植物提供了即时且直接的环境反馈，无需复杂的空间定位机制，即可判断屏障是否完好。虽然气体信号无法精准确定再生位置，但结合化学信号和机械力等其他调控因子，植物能够协调复杂的再生响应。此外，气体扩散感知机制在农业和林业中具有实际应用潜力。熟知屏障损伤信号和再生机制，有望改良作物和木本植物的伤口愈合能力，提升抗逆性能和产量稳定性，甚至优化栓皮层产物的采摘和利用。
综上所述，植物通过监测乙烯和氧气的扩散变化，实现了对屏障完整性的高效监控和修复启动。这一发现不仅丰富了对植物环境适应性策略的理解，也为未来植物防护和再生机制的研究开辟了新方向。随着气体信号研究的深入，预计将揭示更多植物体内外环境信号互作的奥秘，推动植物科学迈向更加系统和整合的新时代。
