植物作为陆地生态系统的重要组成部分，必须面对来自环境的各种挑战，包括病原体入侵、机械损伤和水分流失。为了生存和适应，植物发展了一套复杂的防御机制，其中屏障组织的完整性维护至关重要。最新科学研究揭示，植物利用气体扩散的变化作为一种监测其屏障完整性的手段，从而及时启动修复过程并重新建立防御屏障。这种机制不仅体现了植物对环境敏锐的感知能力，也开辟了对植物生理学及农业应用的新理解。屏障在植物中主要指的是如树皮、表皮等外层细胞结构，它们承担着防止水分蒸发和防御病害侵入的关键角色。以根部的周皮组织为例，它是植物次生生长过程中形成的外部保护层，由栓皮层、栓生成层及栓内皮层构成。
栓皮层通过沉积木质素和栓质，使细胞壁硬化形成封闭的保护层，从结构和功能上隔离内外环境。研究发现，当周皮结构受到机械损伤时，植物会重新启动修复机制以再生周皮，防止水分过度流失和病原微生物入侵。然而，对于这种周皮再生的感知和启动信号一直未有清晰的认识，直到近期科学家发现植物通过感知气体如乙烯和氧气在细胞间的扩散变化来监测屏障是否完整。乙烯作为一种气体激素，参与调控植物的生长发育和应答逆境的过程。正常情况下，周皮对乙烯的扩散阻隔使根部内部乙烯浓度维持在一定水平。机械损伤导致周皮破裂，乙烯逸散至外界，使乙烯信号在周围组织中迅速降低。
与此同时，氧气得以进入先前低氧的组织内部，改善了局部的缺氧状态。这种乙烯信号降低和氧气浓度上升的双重变化被植物识别为屏障破损的信号，从而激活包括特定基因表达和细胞分裂在内的周皮再生过程，最终形成新的保护层。进一步的实验表明，给予外部乙烯前体物质（如ACC）会抑制周皮基因的表达和修复过程，说明乙烯信号的降低是启动修复的必要条件。相反，封闭伤口减少气体交换则延缓了修复机制的激活。氧气的作用同样显著，通常成熟的周皮组织内部处于低氧环境，伤口使氧气渗入，缓解了缺氧信号，促进修复基因的表达。研究利用转基因报告系统监测乙烯及缺氧信号的动态变化，发现伤口后几个小时内乙烯信号下降、缺氧信号减弱，随周皮再生完成，信号恢复至受伤前水平，显示了气体扩散在屏障维持中的监控作用。
该机制同样适用于地上部植物组织，如阿拉伯茎的表皮层损伤，表明通过气体扩散感知屏障状态是多组织、广泛存在的策略。值得注意的是，这种气体感知机制并非空间定位的精准指令，而更类似于一种环境状态监测，确保修复在整体屏障功能受损时启动，但最终具体的细胞定位和组织分化仍需其他信号分子的辅佐。该研究拓展了我们对植物防御与修复系统的认识，也为作物抗逆育种和伤口愈合提供了新的生物学依据。面向应用，理解气体信号对屏障再生的调控，有望通过调节乙烯和氧气水平，实现农作物在受伤或不良环境下的快速恢复，提高作物抗逆性和产量稳定性。未来的研究可能还会揭示更多气体分子在植物与环境交互中的功能，以及不同物种间这一机制的变异性与普适性。综上，植物利用乙烯和氧气的扩散变化作为感知屏障破损的信号，激活复杂的细胞和分子修复网络，保障其组织结构和功能的完整。
这一巧妙的天然感应机制不仅彰显了植物适应环境的智能策略，也为农业科学和生态保护提供了新的启示。
