植物作为固着生物，面临着环境中各种生物和非生物胁迫，因此构建和维护外部防护屏障成为其生存的基础。植物的屏障组织如表皮层和次生生长过程中形成的栓皮层，对防止水分蒸发、抵御病原体侵染以及机械损伤至关重要。然而，植物如何感知这些屏障的完整性并在受损时快速启动修复机制，长期以来一直是植物科学领域的难题。近期的一项开创性研究揭示，植物通过感知气体，尤其是乙烯和氧气的扩散情况，来监控其屏障的状态，为我们理解植物的自我修复提供了全新视角。 栓皮层是许多种子植物在次生生长过程中形成的保护性外层组织，主要由形成木栓的栓胞、分生组织层的栓母层和栓皮层底层细胞构成。这些细胞通过沉积木质素和脂质性物质（如次林）强化细胞壁，建立起高效的物理和化学屏障。
一旦发生损伤，如机械创伤或疾病导致屏障破裂，植物必须迅速再生栓皮层，防止体内水分流失和病原体入侵，确保生长组织的安全。此次研究利用模式植物拟南芥为材料，通过精细的切割实验，成功观察到栓皮层细胞特异性基因的活化及细胞分裂重塑，确认了受损部位的栓皮层再生过程。 更为重要的是，研究团队发现，气体扩散的变化在屏障完整性监测中扮演核心角色。正常情况下，由于木栓层的疏水性和致密结构，乙烯与氧气在组织间的流动受到限制，导致乙烯在细胞间积累，而内层组织处于相对低氧状态。损伤导致屏障物理破裂，乙烯随之逸出，氧气得以进入，从而调控受损部位细胞的信号转导。这种乙烯泄漏造成的信号下降与氧气的涌入共同触发细胞实现表皮层再生的转录程序。
研究显示乙烯信号通路的活跃程度降低促进了修复基因的表达，而氧气进入缓解的低氧信号则进一步激活了再生过程。 乙烯作为植物重要的气体激素，在多种生理和发育过程中起调节作用。传统观点认为损伤后乙烯合成增强会促进伤口愈合。然而，该研究证实，局部乙烯信号的降低事实上是启动栓皮层再生的关键。具体而言，受损后乙烯从细胞间隙泄露至外界环境，导致乙烯信号感受器接收到的激励减少，打破了原本封闭状态下的信号平衡，解除对再生相关基因抑制，同时氧气信号加强共同促使细胞进入分裂和分化状态，形成新的栓皮组织。此外，实验证明人工维持高乙烯水平或模拟低氧环境均抑制再生过程，且两者叠加效果更为显著，展示了乙烯和氧气信号在屏障修复中的协同调节机制。
在分子层面，研究利用一系列转基因报告系统（如PER15、WOX4等基因启动子驱动的荧光蛋白表达） 实时监测栓胞及分生组织细胞的活性变化，结合乙烯信号通路的突变体（ein2-1、etr1-3）及低氧相关突变体（ate1-2;ate2-1，prt6-5），深入揭示了关键调控节点。尤其值得注意的是，乙烯信号抑制突变体表现出无法有效终止再生过程，导致栓皮层过度增生，提示乙烯不仅调控再生开启，也参与修复结束的信号反馈，确保屏障结构恢复至稳态。此外，氧气敏感基因的动态表达变化证明了组织低氧状态的存在及其快速改善，进一步印证氧气作为调节因子的角色。 研究还延伸探讨了气体扩散感知机制在植物其他屏障组织中的普适性。在拟南芥开花茎的表皮损伤模型中，虽无完整的栓皮层，但受伤后同样诱导了一种类似的“软木质层”形成，且封闭伤口防止气体扩散明显抑制了这一过程。乙烯的释放及其信号活动水平变化也被证实存在，为这一机制提供跨器官的证据。
研究推测除乙烯外，可能还有其他挥发性气体参与伤口识别，未来对多种气体分子综合网络的探索仍是关键方向。 由此可见，植物利用气体的物理扩散特性作为一种非接触式、快速反馈的监测信号系统，无需复杂的定位机制，即可感知屏障破损。这种策略既简便又有效，适应了植物固着、被动面对环境威胁的生态位特征。此外，它提供了植物体内气体环境与发育信号整合的最新范例，丰富了我们对植物激素相互作用和环境响应的理解。该发现也为农业生产提供了潜在的应用前景：通过调控气体信号，有望促进植物伤口愈合，增强抗逆性，如果树栓皮层的修复和防止裂果等农艺问题。 总体而言，植物通过感知乙烯洩漏与氧气涌入，建立了一套监测和调节自身防护屏障完整性的创新机制。
这不仅体现了植物对气体分子在生态环境中的敏锐利用，更为未来植物生理学、农业生物技术和生态保护提供了宝贵的理论指导与实践启示。未来更深入的研究将助力理解气体信号与其它发育因子如肽类激素、机械压力信号之间的交互，为揭示植物屏障修复的复杂网络开启新篇章。
