植物作为静止生物，依靠高效的屏障组织来抵御外部环境的各种威胁，如水分流失、病原微生物入侵及机械损伤。这些屏障组织的完整性直接影响植物体内环境的稳定，是维持生命活动的关键。近年来，科学家们深入研究发现，植物不仅通过传统的物理和化学信号感知损伤，还具备感知气体扩散变化的能力，以此来监测其屏障的完好性，尤其是在愈合及再生过程中展现出极其精准的调控。传统上，植物的外部保护屏障主要包括表皮、角质层以及后来形成的软木层（又称周皮层），这些组织通过细胞壁加固、次生代谢产物沉积如木质素和次生脂粉等手段，形成坚韧防护屏障。软木层在很多种子植物中作为二次生长的产物，是植物体的最外层保护结构，防止水分蒸发和病原体入侵，同时还能抵御机械创伤。周皮层包含三种细胞类型，分别是软木层（phellem）、形成层（phellogen）和木栓层（phelloderm），其中软木层细胞通过沉积木质素和次生脂粉形成疏水性的屏障。
尽管植物的屏障组织结构和功能研究已久，对于其屏障自我监测以及损伤后修复的分子机制知之甚少。最新的研究突破来自对模式植物拟南芥的深入分析，科学家首次揭示了植物感知其屏障完整性的独特方式，即监测气体如乙烯和氧气的扩散动态。拟南芥根部的研究表明，周皮层的完整性维持着乙烯和氧气在组织间的浓度梯度。正常情况下，周皮层对气体有良好的阻隔作用，因此乙烯在内部积累，而氧气处于较低水平，形成一种相对缺氧的微环境。当植物遭受机械伤害，周皮层破裂后，内部聚集的乙烯迅速泄漏到外界，大气氧气同样涌入受损区域。这种气体的交替流动导致乙烯信号的衰减以及缺氧信号的消退，从而触发了一系列专门的基因表达变化，引发周皮层再生机制并促进屏障修复。
研究中使用的一种动态乙烯信号报告基因系统，能实时显示乙烯信号在根部受伤区域的变化。数据表明，伤口处乙烯浓度迅速降低，乙烯信号途径暂时关闭，这种信号减少是促使周皮层细胞重新分化和新屏障形成的关键。相反，过量的乙烯或其前体1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）处理会抑制周皮形成，导致新生屏障的不连续或缺损。同时，氧气的进入抑制了植物体的缺氧信号。植物细胞感受缺氧信号的机制主要通过氧依赖性的蛋白质降解途径（N端羰基氧化途径）实现，相关基因表达的降低意味着来自外界的氧气重新进入组织，恢复细胞的正常代谢状态。这种氧气信号的恢复与乙烯信号的降低共同作用，为受损屏障细胞刷新和新生提供了信号基础。
值得注意的是，乙烯信号和缺氧信号在调控周皮层再生中呈现出加成效应。单独调控其中一条信号路径，植物的再生能力虽受影响，但尚可进行一定程度的修复；而当这两个信号路径同时处于非活性状态时，屏障再生几乎完全被阻断。气体信号的这种互相作用，展现了植物复杂且精准的内源调控网络。除了根部的周皮层，这一机制在拟南芥的茎部也同样适用。茎部没有典型的周皮结构，主要由表皮和角质层提供屏障保护。当茎部受伤时，也会形成类软木层的再生组织。
气体扩散的改变同样驱动了这一过程。伤口处乙烯释放增加，而覆盖伤口阻止气体流动则抑制再生，显示气体扩散监测是植物全身性普遍存在的屏障监控机制。植物如何感受和解读气体浓度变化，驱动细胞命运转变，目前推测主要依赖于乙烯受体的信号转导以及氧气依赖的蛋白质羰基氧化修饰。乙烯受体的活性变化影响着转录因子及相关基因的表达，而氧气的存在则调节关键调控蛋白的稳定性及功能，这一机制保证了植物对氧气变化的敏锐反应。此外，乙烯信号的降低不仅激活再生程序，也参与屏障修复完成后过程的终止调控。研宄显示，当新屏障形成后，乙烯浓度重新升高，信号激活，促使围绕伤口的细胞停止过度分化，防止再生过度，维持结构稳态。
植物利用气体这一小分子信号，实现对巨大结构损伤的快速感应，是其高度进化的生物学适应策略。这种感知方式避免了复杂的蛋白级信号传递路径限制，具有高效、直接和广泛的优势。除乙烯和氧气外，未来研究可能揭示更多气体或挥发性化合物参与植物屏障调控的角色。屏障完整性的监测还可能整合其他生理信号和机械力信息，构成综合调节网络，以确保植物体的稳定发展。该发现对农林业有深远影响。许多作物和经济植物的外部保护屏障受损后常因病害和水分流失而产量降低。
理解植物基于气体扩散的修复机制，将为培育更抗逆适应、修复能力强的植物新品种提供理论依据。此外，模拟或调控气体信号通路，还可能开辟控制和促进植物伤口愈合的新方法。总之，植物通过感知乙烯和氧气的气体扩散变化，监控并调节其屏障完整性，是其在多变环境中生存的重要策略。未来关于这一机制的深入探讨，将为理解植物组织再生、信号传导及环境适应提供重要线索，并推动农业可持续发展和植物生物技术创新。
