植物作为陆地生态系统中不可或缺的成员，其生存和发展离不开有效的保护屏障。这些屏障不仅隔离植物内部组织与外部环境，还防止水分流失和病原体入侵。最新研究揭示，植物通过检测气体的扩散变化来监控其保护屏障的完整性，从而实现快速、有效的自我修复和再生。这一机制突破了传统对植物屏障系统的认识，为植物适应环境压力提供了新的视角。 保护屏障的基础结构在许多种子植物中由树皮层（periderm）组成。树皮层在植物次生生长过程中形成，包括三个主要细胞类型：栓皮层、栓形成层和栓内皮层。
栓皮层的细胞壁中富含木质素和木栓质，这些成分构成了坚固且不透水的外层，防止水分散失并抵御病菌侵袭。然而，当植物受到机械损伤时，树皮层的完整性被破坏，内部组织面临暴露的危险。植物必须及时感知损伤并启动修复程序，来恢复其屏障功能。 研究表明，植物根部树皮层的完好状态依赖于两种关键气体——乙烯和氧气的扩散状态。在植物健康完整的屏障下，乙烯这种植物激素的气体浓度会逐渐积累，氧气则以相对有限的量存在于内部组织中。而当树皮层受伤时，乙烯气体迅速从伤口逸出，内部的氧气则大量渗入。
这样的气体扩散变化被植物细胞感知，诱发一系列信号反应，促进新树皮层的形成和分化，从而实现屏障的再生和修复。 乙烯作为一种广泛参与植物发育和应激响应的气体激素，其扩散受阻时会在组织内累积，成为植物对环境压力的信号。根尖通过感知乙烯浓度，判断土壤的密实程度，从而调整生长行为。在乙烯气体浓度升高的环境中，植物会强化根部结构以适应逆境。相反，当树皮层受伤，乙烯顺着伤口逸散，导致组织内乙烯信号减弱，这种信号的降低反而触发了树皮层再生过程。实验中，处理过多乙烯前体的植物表现出树皮层基因表达的抑制及再生缺陷，表明乙烯信号的调控在屏障愈合中起负调控作用。
与此同时，氧气的短时间快速流入缓解了植物组织的低氧（缺氧）状态。正常条件下，受木栓质保护的内层细胞处于轻度缺氧环境。伤口开放后，氧气大量进入，组织内氧水平升高，抑制了缺氧信号通路。实验结果显示，维持高缺氧信号会阻碍树皮层的再生，而促进氧气渗入能加速愈合进程。特定缺氧相关基因的表达下降明确反映了这一机制。氧气和乙烯信号的相互作用形成了精细的气态调控网络，共同监控和调整屏障的修复。
对乙烯和氧气信号的深入研究指出，这两种气体信号在促进植物屏障再生中作用叠加。单独改变一种信号虽有一定影响，但同时调节乙烯降低和缺氧信号解除则几乎完全阻止了树皮层的恢复。这种双重调控表明植物通过复杂的气态信号感知机制确保修复的准确和及时。此外，当屏障重新建立后，气体扩散恢复受限，乙烯信号重新积累，缺氧感知系统苏醒，标志着再生过程的终止，实现一个动态的反馈调节系统。 不只是根部，植物的其他部位如花序茎的表皮同样利用气体扩散机制进行保护层再生。尽管茎秆的屏障类型与根部有所不同，伤口后的乙烯逸散及其信号变化仍被证实对茎秆保护层的重建具有重要作用。
不同于根部，氧气的进入在茎秆受伤屏障修复中的作用较弱，这揭示了植物不同器官可能根据其结构特征采用多样化的气体感知组合策略。 气体扩散监测系统为植物提供了一种无需复杂空间信号限制的整体性监控方式。与肽类激素或机械信号等局部定向机制不同，气态信号通过物理扩散本身传递环境和组织完整性信息，充当一种全局性反馈信号。这种机制的普适性增强了植物对外界伤害的快速反应能力，有利于生境中多样环境条件下的灵活适应。 深入了解植物通过气体扩散监测保护屏障完整性的机制，不仅丰富了植物发育和生理调控知识，也为农业生产和植物材料科学提供了新机遇。利用调控乙烯和氧气相关信号通路，可以开发促进作物伤口愈合和抵御病害的技术策略。
此外，研究树皮层的气态监测，还可能推动植物防护材料的创新，提升果实贮藏和加工的品质。 总而言之，植物通过感知乙烯逸散和氧气入侵的气体扩散动态，对其保护性屏障的完整性进行实时监控。这种基于气体信号的机制协调了伤口修复与屏障再生，确保植物在面对生物和非生物胁迫时的生存优势。未来研究将探讨气体信号与其他激素、机械力及代谢网络的交互作用，进一步揭示植物适应环境的综合调控机制。
