植物赖以生存的外部环境充满了各种机械伤害和病原体的威胁，因此它们发展出了复杂而有效的防御屏障。屏障组织如表皮和形成于次生生长期间的栓皮层，是植物抵挡水分流失、抵御病原入侵的第一道防线。近期一项发表于《自然》期刊的突破性研究深入揭示了植物如何通过感知气体扩散的变化，监测其屏障的完整性，并在受损时快速启动修复机制。 植物屏障组织的核心作用在于将内部组织与外部环境隔绝，形成稳定的生命防线。以拟南芥根部为代表的许多种子植物次生生长过程中会形成栓皮层，这是一层由栓分生组织（phellogen）分裂出的形成层细胞，其外侧为卖皮层（phellem，即软木层），内侧为栓皮内层（phelloderm）。卖皮层细胞通过沉积木质素和次生脂质（如栓质），构建出坚固且不透水的物理屏障。
这一结构对于防止水分流失和病原微生物侵袭至关重要。 研究人员通过精细的解剖手术，对拟南芥成熟根部的栓皮层进行纵向切割，模拟自然伤害，观察伤口处组织的变化。结果显示，在伤口暴露的区域，相关的栓皮层特异性基因表达迅速激活，展示出栓分生组织的细胞分裂活动，随后卖皮层细胞分化出木质素和栓质沉积，恢复了受损部位的屏障功能。从形态学和分子水平来看，植物能够有效再生出功能完善的栓皮层，阻止病原体的侵入同时抑制水分散失。 有趣的是，生理学测试表明，受伤后伤口部位的乙烯含量迅速降低，氧气则通过伤口大量进入内部组织。乙烯作为一种重要的植物激素，其高浓度通常会抑制栓皮层的再生。
伤口处乙烯分子的逸出造成了内部乙烯信号的下降，这一信号的衰减反而促进了栓皮层的修复。而氧气的进入缓解了组织原本的低氧（缺氧）状态，降低了缺氧相关的信号通路，进一步有利于屏障组织的重建。这两种气体的扩散现象共同构成了一种“气体监控”机制，通过反馈内外气体浓度的变化，帮助植物感知屏障的破损状态。 实验中，研究团队使用了多种特异性报告基因与荧光标记技术，追踪细胞内乙烯和缺氧信号的动态变化。利用乙烯信号敏感的荧光蛋白融合体揭示，伤口部位乙烯信号显著低于未受伤区域。进一步地，通过人为施加乙烯前体物质1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）或直接施加乙烯气体，能够抑制栓皮层修复过程，形成无连续的卖皮层细胞或产生未分化的瘤状组织，显示乙烯信号的存在对再生有抑制作用。
相反，封闭伤口阻止气体交换，导致乙烯信号维持高水平，进一步阻碍屏障再生，证明乙烯逸出对启动修复的重要性。 与此同时，氧气作为生命活动的基础呼吸分子，其穿透受损屏障进入植物内部，有助于缓解组织原本存在的低氧压力。研究通过活体组织氧气微传感器精确测量，确认完整栓皮层有效限制氧气进入。伤口暴露后，氧气渗透量明显增加，诱导一系列氧气响应基因表达水平变化。在相关缺氧信号过度活跃的突变体中，屏障修复同样严重受阻，说明低氧信号的减弱是重建屏障的必要条件。 乙烯与氧气信号在屏障恢复过程中具有相互独立且叠加的调控作用，它们的变化共同决定了修复过程的启动与终止。
屏障修复完成后，氧气和乙烯的正常浓度逐渐恢复，信号水平回升到创伤前的状态，从而关闭修复程序，防止过度分化和无效增生，保持组织的稳态。部分乙烯信号缺失的突变体表现出修复停止不完全，卖皮层细胞异常增多，印证乙烯信号在终止再生中的关键角色。 不仅根部，研究进一步扩展到拟南芥的茎部荚果，发现虽然该部位没有典型的栓皮层结构，但受伤后同样出现类似以卖皮层细胞为特征的屏障修复。伤口处乙烯逸出促进修复基因表达，封闭伤口阻止气体交换则抑制了屏障重建，提示气体扩散感知的机制可被广泛应用于不同植物部位的屏障监测和再生。尽管茎部缺氧信号表现不明显，但乙烯的变化及其他挥发性气态分子很可能参与调控。 总体而言，气体扩散作为一种非接触式、高效的监控信号，为植物感知自身屏障完整性的提供了简单直接的方式。
乙烯作为信号分子的蓄积与逸出反映了屏障组织的密闭程度，氧气的进入则反馈了屏障的开放状态。这种双向气体交换被植物利用，配合激素信号和发育基因网络，共同调控伤口修复和屏障重建过程。 这一发现不仅刷新了我们对植物生理调控的理解，还为农业生产和植物抗逆育种开辟了新途径。通过调控气体信号通路，可以促进作物的伤口愈合、增强病害抵抗力，有望提高农作物的生存率和产量。此外，植物屏障不只是单纯的物理障碍，还承担着调控与环境沟通的信号枢纽功能。未来研究可进一步探索气体分子如何与其它信号网络整合，实现高效智能的防御和修复体系。
植物通过监测乙烯和氧气等气体的扩散，构建起对自身屏障损伤的感知系统，这一机制展示了自然界生命在信息传递和环境适应方面的智慧。科学家正逐步解密这一系统背后的分子机理，揭示气体信号在植物各类组织发育及应答过程中的重要作用。随着对这一领域的深入了解，未来可能实现对植物生长环境的精细调控，推动可持续农业和绿色生态建设。
