植物作为固定生物，必须面对环境的各种物理伤害和生物威胁。为了保护内部组织免受水分流失、病原体入侵及机械损伤，植物体表发展出多层屏障组织，如表皮、角质层及次生生长中的栓皮层（periderm）。这些屏障不仅构成物理防护，还承担着调控气体、水分及养分通透的关键任务。保持这些屏障的完整性对于植物的生存和正常生长至关重要，但屏障组织一旦受损，植物如何感知并及时修复这一损伤，一直是植物生物学研究的前沿难题。最新的研究成果揭示，植物通过感知乙烯和氧气等气体的扩散变化，监控其屏障的完整性，从而有效调节损伤修复过程，促进屏障再生。这一机制为理解植物自我保护系统提供了新视角，也为农业生物技术的创新应用奠定基础。
屏障组织中的栓皮层在许多种子植物次生生长阶段中扮演着重要角色。它由三类细胞组成：栓层（phellem）、栓形成层（phellogen）和栓皮层内层（phelloderm）。其中，栓层是最外层细胞，承载防水和隔绝病原体入侵的职责。它们通过沉积木质素和蜡质物质如脂质和次生代谢产物，形成高度不透水的屏障。由于其暴露于环境中，栓皮层极易受伤并需要快速修复。之前，关于其再生机制的认知相对有限，主要围绕细胞分裂和分化程序，但具体的信号感知和转导路径尚不明确。
乙烯作为一种植物气体激素，其生物合成和信号传导在植物生长发育及应对逆境中发挥着重要作用。乙烯的分布和浓度往往受扩散限制影响，这种局部积累可被植物用于感知环境改变，例如土壤致密化会导致根部乙烯累积并触发生长调节。在新研究中，科学家们证实，栓皮层伤口处乙烯扩散的减少实际上触发了屏障修复进程。具体而言，未受损的栓皮层因其木质素和脂质沉积阻碍乙烯扩散，使内部乙烯浓度维持较高水平。当受伤时，乙烯随伤口向外扩散，导致组织内部乙烯信号强度降低，这种信号衰减成为活化修复基因表达的重要触发器。实验中，利用标记乙烯信号状态的荧光报告基因，研究者观察到伤口处乙烯信号明显下降，同时诱导了栓皮层特异基因的表达。
更令人意外的是，外源施加乙烯前体物质1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）反而抑制了栓皮层再生，进一步表明乙烯信号的降低是修复启动的关键所在。氧气作为生物体维持呼吸代谢的必需气体，其组织内含量通常处于低氧状态，尤其是被屏障层围绕的次生组织。栓皮层形成的密实屏障限制了氧气的扩散，造成内层细胞处于生理性低氧环境。研究显示，伤口开放使氧气能够直接进入组织，迅速缓解低氧信号，促进组织的代谢激活与细胞分裂分化，推动栓皮层的再生。利用对低氧敏感的基因报告系统，科学家们发现伤口后低氧基因表达迅速降低，提示氧气的进入对维持再生动力学具有促进作用。在功能实验中，维持低氧状态或利用低氧信号相关突变体均表现出修复延迟或受阻的表型。
乙烯信号降低和氧气信号增强两者协同作用，共同实现对栓皮层损伤的精准感知与再生调控。这一双重气体信号系统体现了自然界中高效、简洁的信息传递机制，利用极易扩散的气体作为信号分子，突破了空间限制，实现了快速响应。更进一步，封闭伤口阻止气体交换会抑制修复过程，凸显气体扩散作为初级伤害感知信号的重要性。该机制不仅存在于根部，研究人员还发现类似的气体信号监测也参与植物茎部表皮损伤后的屏障再生。虽然茎部屏障的特异性在机制上存在差异，但气体扩散作为完整性监控的普遍原则得到了确认。这一发现揭示了植物利用环境中气体浓度变化调节自身生理状态的高级适应性。
植物屏障组织的完整维护是关乎农作物产量和品质的重要因素。例如，根部栓皮层屏障的功能不足会导致病原体入侵、水分流失加剧甚至作物死亡；果实表皮破损则影响储藏期并增加腐烂风险。理解气体扩散监测机制不仅有助于揭示植物自愈本质，还有望为农业栽培管理、植物抗逆性改良提供新手段。未来的研究可从以下几方面展开：深入挖掘气体信号与细胞命运决定以及植物激素之间的相互作用，发展基于气体信号干预促进农作物修复能力的技术，探索其他潜在气体分子对植物屏障功能的影响及其跨物种适用性。同时，鉴于气体扩散机制不依赖于特定定位信号，结合基因调控和机械应力信号调节，构建多层次屏障修复调控网络，将更加全面展现植物自我保护机制的复杂性。综上所述，植物通过监测乙烯和氧气两种气体的扩散动态实现对屏障完整性的精准感知，这一先进的天然生物传感系统使植物能够快速响应伤害，协调细胞再生与分化过程，有效恢复保护屏障的功能。
该机制不仅丰富了植物生理学的理论基础，也为农业创新带来了潜在的应用契机，彰显了植物界对环境信号智能利用的独特智慧。随着科学技术的不断发展，深入挖掘植物气体信号传导网络与屏障修复机制，将为人类持续优化农作物抗逆能力提供坚实支持，实现农业绿色可持续发展目标。
