植物的生存环境复杂多变，面临着水分流失、病原体入侵以及机械损伤等多种挑战。为了应对这些环境压力，植物进化出了多层次的屏障组织，其中尤以表皮和次生生长形成的栓皮层（亦称软木层，periderm）为外部防护的核心。这些屏障组织通过物理和化学屏障作用有效封堵内部组织与外界环境的直接接触，阻止水分蒸发和微生物入侵，保障植物正常的生理功能。近年来，植物学研究的重大突破在于发现植物不仅被动依赖屏障的存在，更能主动感知屏障的完整性并做出及时修复，气体扩散变化即为被植物敏锐捕捉的关键信号。传统认知中，植物的修复机制依赖于激素、信号分子的调控以及细胞分化的重编程。然而，新近发表在《自然》杂志的研究进一步揭示，植物通过感知气体乙烯和氧气的扩散状态，巧妙监控屏障的破损和再生过程。
研究者们在拟南芥根部机械损伤模型中开展了一系列精密的实验。通过纵向切割根的次生组织并观察相关基因的表达变化，发现当栓皮层结构被破坏时，内源性乙烯迅速逸散到外部环境，而氧气则进入暴露的伤口内部。这一气体流动改变导致乙烯信号通路的活性降低及缺氧信号的衰减，从而触发栓皮层的再生程序。乙烯，一种小分子气态激素，广泛参与植物生长调节和应激反应。乙烯正常扩散受阻时会在组织中积累，引发特定的发育信号。研究发现，机械伤害导致乙烯释放后，局部组织内乙烯信号强度下降反而成为再生触发信号。
实验中利用一系列报告基因，如PER15等，跟踪栓皮层相关基因的激活，确认乙烯信号降低与组织再生密切相关。与此同时，氧气作为细胞呼吸的重要底物，其渗透在未受伤时受栓皮层阻隔，导致内部组织维持一定程度的缺氧环境。伤口暴露使得氧气快速流入，缓解缺氧信号。利用缺氧指示基因PCO1和PCO2的转录报告系统，研究团队监测到缺氧信号的显著下调，并确认这对促进屏障组织的分化和功能恢复至关重要。更为重要的是，乙烯和缺氧信号的变化在调控栓皮层再生中呈现加成效应。单独改变乙烯或缺氧信号水平均对再生产生影响，联合调控能更有效地促进栓皮层的形成和修复。
而当栓皮层再生完成，气体扩散再次受限，乙烯与缺氧信号回复至原始水平，标志着修复过程的终止，从而避免过度反应。研究还表明这一气体感知机制不仅适用于根部，茎部的表皮伤口修复同样借助气体扩散信号传导。虽然茎部的修复过程中乙烯和缺氧信号作用较弱，但气体扩散依然发挥重要的监管功能。该机制为植物提供了一种高效、灵敏的环境监控手段，确保屏障组织在受损时能快速响应，启动再生流程，维持植物体系统一的防御屏障。植物利用气体扩散作为监测屏障完整性的机制，体现了其在形态建成及环境适应中的创新策略。结合激素信号、肽类分子和机械感知，此机制一起调控植物对环境变化的动态响应。
除了生物学基础意义，这一发现对农业生产与林业管理具备广泛应用潜力。例如，促进果树及经济作物栓皮层或表皮的快速修复，有助于减少病虫害损失，提升产量和品质；同时，有助于改进软木采集管理，实现更可持续的利用。未来研究方向将聚焦于揭示气体信号感知的具体受体及下游分子网络，以进一步理解植物屏障修复的精细调控机制。此外，不同植物物种及器官间该机制的多样性与普遍性研究，将为植物生理学及进化生态学提供新的理论支持。植物屏障的完整性不仅关乎个体的生存，更关系到生态系统的稳定和植物群落的持续发展。气体扩散作为一种简洁而高效的信号监测方式，突破了空间限制，使植物能够快速感知外界伤害并启动修复，堪称自然界的智慧结晶。
综合来看，植物通过感知乙烯与氧气的扩散变化，监测和调节自身屏障的完整性，不仅拓展了我们对植物防御和再生机制的理解，也为未来植物科学研究和实践应用打开了新的篇章。
