屏障组织在植物体中扮演着至关重要的角色，作为植物与外界环境的第一道防线，它们不仅防止水分流失，还有效阻挡病原菌入侵。特别是在种子植物如拟南芥的根部，次生生长期间形成的栓皮组织（periderm）成为外部保护屏障的关键组成部分。栓皮组织由栓层细胞（phellem）、栓形成层（phellogen）和栓皮层（phelloderm）三种细胞类型协同构成，其物理结构通过沉积木质素和栓质，构筑坚固的防御层。然而，作为植物体表面的接口，栓皮组织极易受到机械损伤和环境应激的影响，及时感知和修复屏障破损对于植物的存活至关重要。近年来，科学家们揭示了植物不仅依靠传统的肽类信号和激素调控，还通过感知气体分子的扩散变化，监控屏障的完整性并调控再生机制。拟南芥的研究为这一发现提供了坚实证据，开创了植物屏障自我感知的全新视角。
以乙烯和氧气的扩散为关键线索的气体监测机制成为植物反应屏障受损的重要手段。乙烯作为一种重要的气体激素，调控植物的生长发育和应激反应，在未经损伤的成熟栓皮组织内，堆积的乙烯因栓层细胞壁的低透气性而被局限。然而，机械损伤引起局部乙烯的大量泄露，使得乙烯信号在受伤部位减少，进而解除对部分再生相关基因的抑制，促发细胞的重新分裂与分化，从而启动损伤处的栓皮再生。乙烯信号这一负调控机制打破了以往“乙烯随伤促发再生”的传统认知，展现出植物对乙烯信号的复杂调控网络和环境敏锐度。与此同时，氧气的进入对屏障的再生同样不可忽视。次生生长形成的栓层细胞因其低透氧性导致根部组织处于生理性缺氧状态。
损伤导致屏障受损，氧气通过伤口进入内层组织，缓解缺氧应激，从而抑制部分缺氧信号途径。氧气信号的恢复为细胞代谢和分化提供适宜的环境，支持新生栓皮细胞的形成。乙烯和氧气信号的共同作用产生协同效应，形成精准的环境感知和信号调控网络，确保栓皮再生的时机和质量。 相关基因表达的时空动态与气体信号波动高度相关。在拟南芥根部机械切割后，栓皮特征标记基因如PEROXIDASE15（PER15）、PER49和PBP1等迅速于伤口处被诱导，伴随着栓形成层相关基因AT3G26450的表达和细胞的定向分裂。乙烯信号的降低促进了这些细胞命运的转变，使内侧细胞重新获得未分化活性，分化成具备防护功能的栓层细胞。
氧气信号的逆转则通过调控PLANT CYSTEINE OXIDASE（PCO）基因家族实现，这些基因在缺氧时表达增强。伤口处氧气的再供应导致PCO基因表达下降，抑制低氧信号，促进细胞恢复正常代谢。值得注意的是，实验数据还显示将伤口立即封闭，无论是用凡士林、羊毛脂还是浸泡于液体培养基，都严重阻断了气体的扩散和相应信号变化，从而抑制栓皮的再生反应。这一现象强调了自然气体扩散在植物屏障监测中的关键作用。 在此基础上，科学家们提出了一个统一的模型：栓皮组织作为气体交换的屏障，维持乙烯积累和氧气缺乏的微环境以抑制不必要的再生机制。一旦屏障受伤，乙烯向外泄露，氧气内渗，造成局部信号变化，突破平衡，诱导再生相关基因活性，启动组织修复。
随着栓皮的复原，气体屏障功能回归，信号恢复至受伤前状态，终止再生过程。这种利用气体扩散单纯物理特性的信号机制相较于肽类激素的空间限制具有更广泛的适应性和快速反应能力。除了根部，拟南芥的茎部同样利用气体扩散监测机制进行表皮屏障修复。虽然茎部分未形成典型栓皮，机械切割依旧诱导栓层样细胞的产生及相应迁移，气体扩散阻断同样抑制该修复反应。然而，乙烯和氧气信号在茎部的作用不如根部明显，推测可能还有其他挥发性气体或信号分子参与，这提示植物在不同器官间存在多重修复感知策略。 这些研究成果对于理解植物如何以简洁有效的方式感知外界环境变化和自身损伤，具备重大战略意义。
它们不仅揭示了植物非神经组织如何实现信息传递，也为培育抗逆农作物提供了新思路。借助基因编辑技术精准调控乙烯和低氧信号通路，未来有望增强植物的伤口愈合能力和抗逆性能，提升作物产量和品质。此外，深入探讨挥发性气体在植物组织间的传播机制，有助于开发新型植物保护剂和生长调节剂。 总结来看，气体扩散监测机制作为植物监控屏障完整性的普遍原则，兼具物理特性与生物信号优势，体现了植物在进化过程中形成的高效生存策略。持续的研究将推动我们揭示植物生命活动的微妙调控，为农业科学和生态保护提供坚实的理论基础和实践指导。未来的科学探索需要侧重于气体信号与肽激素、机械信号的互作关系，及其在不同植物种类和环境条件下的适用性与多样性。
随着分子生物学与实时成像技术的发展，期待揭开更多植物自我修复的神秘面纱。
