在植物的生命过程中，屏障组织发挥着至关重要的作用，保护植物免受水分流失和病原微生物侵入的危害。二次生长阶段形成的栓皮层作为许多种子植物的外部防护墙，其完整性对植物的存活至关重要。然而，屏障受到机械损伤或环境胁迫时，植物如何识别并迅速修复这一损伤机制长期以来一直是生物学研究的难题。近期，借助模式植物拟南芥的研究，科学家揭示了植物感知屏障完整性的全新机制——通过监测气体扩散的变化，尤其是乙烯和氧气的流动，植物能够判断自身屏障的受损状态并启动修复程序。栓皮层主要由栓被细胞、栓形成层和栓下皮组成，其中栓被细胞通过细胞壁中木质素和脂质等物质形成坚固且难以穿透的物理屏障，这样的结构有效阻碍气体的自由扩散。在正常状态下，内部乙烯积累较多，但氧气供应有限，形成一个相对缺氧环境。
当屏障被机械损伤时，局部结构破裂促使乙烯从内部泄漏至外部环境，同时氧气得以逆向进入内部组织。这种乙烯的流失和氧气的进入导致局部乙烯信号的减弱和低氧响应的消退，成为植物感知已受损屏障的重要信号。研究表明，乙烯作为一种植物激素，具有复杂的调控作用。在完整的栓皮层区域，乙烯信号高水平维持植物生理稳态；当伤口出现，乙烯流失导致其信号减弱，反而成为激发修复反应的关键驱动力之一。外源施用乙烯前体1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）或直接增加乙烯浓度时，可以抑制栓皮层相关基因的诱导和伤口区域的栓被再生，证明乙烯信号的降低对于启动屏障修复至关重要。与此同时，氧气的进入缓解局部组织中的低氧胁迫，降低低氧响应基因的表达，进一步为修复过程提供有利环境。
利用专门构建的基因报告系统追踪氧气感应分子PCO1和PCO2的表达变化，科学家发现伤口部位的低氧信号迅速减弱，这一过程与乙烯信号的变化协同促进修复机制的启动。乙烯信号和低氧信号两者对屏障再生发挥叠加效应，二者共同作用确保修复过程高效且有序地推进。此外，研究还发现，在伤口封闭并恢复屏障的后期，乙烯和低氧信号回归伤前水平，意味着气体扩散的恢复既是修复完成的标志，也是修复过程终止的信号。这为植物如何精准判断修复终点提供了新的分子依据。该气体扩散监测机制并不仅局限于根系的栓皮层再生，类似的调控机制同样存在于拟南芥茎部的表皮损伤修复中。茎部虽然没有形成典型的栓皮层，但其表皮和角质层的破损后也可诱导局部栓被样结构形成。
封闭伤口会阻止气体扩散变化，抑制修复信号的启动，显示气体扩散在茎部屏障感知中的普遍意义。这种机制的发现不仅扩展了我们对植物屏障保护和修复策略的认知，还为农业生产提供潜在的应用方向。针对作物病害防控及逆境胁迫响应，调控植物体内乙烯及氧气的感知与信号传导，有望提升作物的自我修复能力和抗逆性。此外，栓被细胞所含的木质素和脂质材料在工业上也具有重要应用价值，揭示其形成调控机制有助于开发经济有效的植物可再生资源。未来研究可进一步探讨气体扩散与其他信号分子、机械力及激素网络的交互作用、更深入解析空间定位信息的传递机制，从而揭示植物屏障修复的全程调控格局。总的来说，植物利用气体扩散这一物理信号作为监测屏障完整性的手段，不仅体现了其智慧的适应策略，也彰显了生命在自然选择中的巧妙设计。
随着这一领域的深入展开，将助力我们理解植物如何在复杂环境中维持自身稳态，并不断拓展植物生物学与农业科学的边界。
