植物作为静止不动的生物体，面对环境中的诸多威胁如病原体入侵和水分流失，依赖其体内复杂的屏障组织保护自身安全。屏障组织能够有效隔离体内与外界环境，以确保植物的正常生理功能。然而，在自然环境中，植物的屏障不可避免地受到机械损伤或其他压力，如何感知并修复这些屏障是植物生存的关键。近期的研究表明，植物通过感知两种关键气体的扩散——乙烯和氧气，来监控其屏障的完整性，进而促进受损屏障的再生。 屏障组织在植物中的作用极为重要，尤其是由栓皮层构成的次生生长屏障，这是许多种子植物抵御病菌和减少水分散失的第一道防线。栓皮层由栓皮细胞、栓形成层和栓内皮细胞组成，栓皮细胞的细胞壁中大量沉积的木质素和栓质构成了坚固的物理屏障。
然而，受伤时屏障会被破坏，进而导致乙烯从受损部位向外逸散，同时大量氧气进入植物体内。经过长期的观察和实验发现，这种单向的气体扩散变化成为植物感知屏障破损的信号。 乙烯是一种重要的植物激素，被广泛认为与植物生长发育及逆境响应密切相关。通常，乙烯在局部积累会引发各种组织的发育变化，例如根系对土壤紧实度的响应和水淹时的通气组织形成。然而，新发现表明，当植物的外部屏障完好时，乙烯难以逸出，能在组织内部保持较高浓度，使乙烯信号处于激活状态。当屏障受损时，乙烯通过伤口迅速扩散出去，导致组织内部乙烯信号降低。
这种乙烯信号的缓解反而触发了植物启动屏障再生的程序，促进细胞分裂和栓皮细胞的分化，从而修复受损屏障。 另一方面，氧气一般难以进入由栓皮层保护的植物体内部，形成一定的生理性缺氧状态。屏障受伤后，氧气通过伤口进入植物体内部，缓解了内部的缺氧信号。这个氧气信号的增加也被证明促使植物分化出新的屏障细胞，支持屏障的再生。换句话说，植物通过两个相反方向的气体扩散变化——乙烯向外逸散和氧气向内渗入，共同感知屏障受损的状况，并协调调控屏障的再生过程。 这种气体扩散感知机制的发现拓展了我们对植物感知自身结构完整性的认知。
传统上，植物细胞壁的修复和组织再生被认为依赖于机械信号、激素的空间分布及特异性信号肽的传导。然而，气体作为小分子且高扩散性的信号物质，可以快速为整个组织提供损伤信息的变化，启动一系列下游调节事件。植物通过对乙烯和氧气信号的双重检测，建立了一套高度敏感且高效的屏障完整性监控系统，既能够及时响应外界损伤，也能准确终止再生过程，避免过度修复。 在水稻和其他许多水生或耐水涝植物中，乙烯在缺氧环境下积累，诱导形成通气组织，以缓解氧气不足，这与栓皮层屏障完整性监测中的乙烯利用有所不同，表现了植物激素信号通路的多样性和灵活性。研究显示，外界环境对气体扩散的限制，如土壤紧实度或水的淹没，均通过调控乙烯信号影响植物根系生长发育。由此可见，植物气体感知不仅影响环境适应，更直接关联植物自身组织的维护和生长调节。
近年对阿拉伯芥根系的实验证实了气体扩散的信号作用。伤口处的乙烯浓度下降与氧气含量上升促进了栓皮层再生，而抑制乙烯信号能够促进堆积木质素和栓质的栓皮细胞的形成，显著帮助屏障重建。对乙烯信号通路失活突变体的研究则发现，缺乏乙烯信号会导致屏障再生无法及时终止，形成异常厚的栓皮层，提示乙烯不仅参与启动再生，还在再生的精确终止中起调节作用。氧气信号的调节同样通过影响缺氧响应途径中的N-端降解途径，控制再生的速率和程度。两种信号的综合作用确保屏障修复的动态平衡。 气体扩散信号机制也在植物地上部分的表皮屏障损伤修复中得到验证。
经验表明，当茎秆的表皮层被机械切割时，也会诱导类似栓皮样细胞的分化和沉积，气体扩散的变化同样是修复的触发信号之一。尽管茎秆的屏障性质和根系次生栓皮层有所不同，但气体作为重要信号的角色表明植物利用的气体扩散监测机制具有广泛的适用性和普遍性。其他挥发性物质和信号可能在不同组织中发挥协同或辅助作用，但乙烯和氧气无疑是关键的调控分子。 植物监测气体扩散的这一策略不仅体现了其利用环境内外信号进行调节的智慧，也为农业生产中病虫害防治、创伤愈合及作物品质改良提供了新的视角。比如，促进屏障愈合的激素调控和环境条件的优化可以增强植物对逆境的抵抗力，降低水分丢失和病原体侵染风险。此外，在人工栽培和园艺中，理解气体扩散与屏障再生的关系，有助于指导伤口处理和养护，提高作物的生产效率和品质稳定性。
未来的研究方向可能聚焦于揭示乙烯和氧气气体扩散感知路径下游的具体分子机制，发掘与机械信号、其他激素网络及肽信号间的交互作用，更加细致地刻画植物屏障监测体系的分子调控图谱。进一步的研究还可以探讨不同植物物种以及不同器官的气体扩散监测机制异同，阐明气体信号在多样化环境适应中的功能。此外，基因编辑和分子生物学技术的应用，或将实现对气体信号感知能力的调控，提升植物的自我修复和应激响应能力。 综上所述，植物通过感知乙烯和氧气的气体扩散信号，建立了一套高效的屏障完整性监控系统，能够精准识别屏障损伤并激活再生机制。该机制充分体现了植物在缺乏移动能力的情况下，依赖细胞信号传递和环境信息整合实现自我维护的独特生命智慧。这一发现丰富了植物生理学和信号生物学的理论体系，也为农业生产和植物保护带来了创新思路。
未来围绕气体扩散感知机制的深入探索将极大推动植物科学的发展，促进可持续农业进步与生态环境保护。
