植物作为固定生物体，其生存和发展依赖于保护自身内部组织免受外界不利因素的伤害。保护层作为植物与环境间的屏障，承担着阻止水分丢失、防御病原侵害的重要职责。在多数种子植物中，外围次生生长阶段形成的栓皮层（periderm）构成了关键的保护结构。栓皮层包括栓黄片层、栓形成层和栓髓层，外层的栓黄片细胞经过木质素和栓质的加厚，形成坚固的屏障以防御生物和非生物胁迫。然而，当栓皮层遭受机械损伤时，植物如何感知保护层的破损并启动修复机制，长期以来一直是植物生理学研究的重要课题。最新的研究突破揭示，植物通过感知保护层处气体如乙烯和氧气的扩散变化，调控保护层的再生过程，这一原理为理解植物自我保护提供了全新视角，并有望在农业生产与植物保护中开辟应用新路径。
乙烯作为一种重要的植物激素，主要以气体形式存在，广泛参与植物生长、发育及对外界胁迫的适应。植物内部保护层通常限制气体扩散，使得乙烯在内部局部堆积形成高浓度信号。然而，当保护层受损，乙烯便通过伤口泄漏到外界环境，导致局部内乙烯浓度瞬间下降，从而激活乙烯信号通路的变化。研究表明，乙烯信号的降低反而促进了栓皮层的再生，这是一个与传统观念截然相反但科学依据充分的发现。利用专门设计的乙烯信号传感器，科学家观测到受伤后乙烯信号水平迅速下降，随之激活了相关保护层形成的基因表达，包括与栓黄片细胞分化密切相关的PER15等标记基因。与此同时，氧气的作用也不容忽视。
栓黄片层同样阻碍氧气进入植物内部，造成内部呈现低氧甚至缺氧环境。损伤后，氧气通过伤口进入，缓解了内部的低氧状况，抑制了低氧应答信号。在实验中，利用低氧条件培养植物显著抑制了栓皮层的再生，提示氧气的补充是再生的重要触发因子。更进一步，乙烯信号降低与低氧信号同时作用，能够协同促进保护层功能的恢复。这种双重气体调控机制赋予植物高度敏感且快速响应的能力，确保保护层损伤后的及时修复。研究在阿拉伯芥根部进行了系统性分析。
通过精细的机械切割模拟栓皮层损伤，研究人员跟踪了保护层标志基因的表达动态、细胞分裂活动及细胞壁中木质素和栓质的沉积过程。结果显示，栓黄片细胞的特异性基因表达于受伤后一天内激活，随后出现分裂活跃的栓形成层样细胞，最后形成厚壁且含有木质素和栓质的保护层细胞。这一修复过程大约在四天内完成，且随着乙烯信号的降低和氧气信号的恢复，植物重新建立了完整的气体屏障。保护层的完整性恢复后，乙烯与低氧信号水平均回归到受伤前水平，显示出气体扩散的动态平衡在调节保护层的修复和维持中起关键作用。这种基于气体交换的监测机制不仅存在于根部，也在茎部的表皮层损伤修复中发挥作用。阿拉伯芥的花序茎虽无次生形成的栓皮层，但其表皮同样作为保护屏障。
伤口处局部出现与栓黄片类似的分化细胞层，且封闭伤口会阻断乙烯扩散，抑制再生过程。这一现象强调气体扩散作为普遍的监测信号，指导植物不同部位保护层的维持与修复。植物利用气体扩散信号的这一机制展现了其生存智慧。不同于需要特定受体介导的蛋白质信号，气体的自然扩散特性使植物能够即时感知保护层破裂导致的气体泄漏或渗透变化。这种监测方式具有广泛适用性，并可迅速响应环境变化，有利于植物适时启动修复程序，减少水分散失和抵御病原的入侵。同时，植物对乙烯信号的敏感调控确保了保护层的生成不会过度，表现出高度精细的反馈调节机制，从而避免资源浪费和不必要的细胞过度分化。
气体扩散监测保护层完整性的发现，为未来植物保护和利用提供了新思路。通过调控环境气体浓度或影响植物体内乙烯与氧气信号，有望促进农作物的伤口愈合，增强其抗旱和抗病能力。此外，该机制的普遍性提示，类似的信号感知系统可能存在于其他植被物种和不同的组织保护层再生过程中。深入研究该系统，将有助于揭示植物环境适应的共通原则，为生态农业和植物育种提供基因或化学调控的潜在靶点。总结来看，利用乙烯和氧气两种气体通过扩散的相互作用，植物建立了一套简洁而有效的监测系统，用以感知外部保护层的完整性。当乙烯通过伤口泄漏、氧气补充时，信号网络协调启动保护层的再生机制；而再生完成后，气体浓度恢复，信号强度回归，保护层生长过程得以终止。
这一发现不仅深刻改变了对植物教育激素和环境感知的理解，也展现了植物非凡的生理调节能力。未来针对气体信号相关通路的基因编辑和外源调控，有望实现作物更优的保护机制创新，提升植物对环境胁迫的整体耐受性。
