植物作为固定的生物体，必须依赖结构性的屏障组织来保护自身免受外界环境的威胁。屏障组织不仅防止水分蒸发，还能有效抵御病原微生物的入侵，是植物生长发育和存活的重要保障。近年来，植物学领域关于屏障组织维护机制的研究有了突破性的进展，发现植物能够感知气体扩散的变化，从而监控其屏障完整性。这一发现为深入理解植物自我保护和修复机制提供了新视角。 在种子植物中，尤其是以阿拉伯芥为典型代表，其外部覆盖层主要由栓皮层（periderm）组成。栓皮层是一种在植物次生生长阶段形成的多细胞层结构，包含栓胞（phellem）、栓形成层（phellogen）和栓皮下层（phelloderm）细胞。
栓胞分化后，会在细胞壁内沉积木质素和积累次生代谢产物如木栓质和次生脂质，形成坚韧的不透水层，起到物理和化学屏障的作用。该结构不仅阻止水分流失，还能有效防御病原体，是植物抵御逆境的第一道防线。 然而，栓皮层常因机械损伤、自然老化或病虫害等因素导致完整性受损。受损的屏障若得不到及时修复，将会导致植物体内水分大量流失，病原体侵入，甚至引起系统性衰弱乃至死亡。因此，植物必须迅速感知到屏障的破损，并启动再生修复程序，确保体内环境的稳定。最新研究发现，植物并非仅依靠传统的细胞信号分子进行监测，而是巧妙地借助气体分子的扩散特性作为信号来调控屏障的修复。
这两种主要气体信号分子为乙烯和氧气。乙烯作为一种植物激素，在多种生理过程中发挥关键调控功能，包括果实成熟、应激反应及发育调控。常态下，二次形成的栓皮层限制了乙烯从植物体内扩散至外部环境，使乙烯在屏障内积累，诱导和维持某些生理状态。然而，当栓皮层受损时，乙烯会通过伤口泄漏出去，导致屏障内乙烯浓度骤降。这种乙烯浓度的快速变化，实质是气体扩散状态改变的直接体现。 与此同时，氧气的扩散呈现相反的趋势。
正常情况下，由于栓皮层的不透气性，内部组织处于相对缺氧状态（生理性低氧）。而损伤导致氧气能够渗入至内部组织，缓解该缺氧状态。内部细胞对于氧气水平的变化极为敏感，能够激活或抑制一系列低氧反应信号通路，进而调控细胞分裂与分化过程。 乙烯与氧气两者信号的变化共同构成了植物屏障破损的气体环境学“指纹”。植物根部，特别是阿拉伯芥根系的栓皮层损伤后，乙烯迅速外泄和氧气迅速渗透的变化同时触发其下游信号路径的调节，从而启动新栓皮层的生成，恢复屏障功能。研究使用了基因报告体系和乙烯信号捕捉器验证了该过程的存在和动态变化，发现乙烯信号强度降低时，诱导一批与栓皮分化相关的关键基因表达，同时氧气的进入缓解了组织低氧信号，使细胞得以重新激活，有序开展细胞分裂和分化。
更有趣的是，这一气体扩散监测机制不仅限于根部栓皮层，茎部的表皮损伤修复也展现类似机制。虽然茎部不像根部形成典型的栓皮层，但其表皮及角质层承担着相同的防护任务。茎部伤口同样使乙烯泄漏，氧气进入，刺激局部细胞产生栓胞样结构进行修复。不同之处在于茎部氧气信号作用不如根部明显，暗示不同器官在同一监测机制的基础上可能存在信号通路差异与调控层级差别。 乙烯信号的诱导和抑制对屏障修复具有双重调节作用。伤口乙烯快速泄漏导致信号强度下降，促进修复基因表达和修复活动；随着屏障再生，乙烯扩散受阻，信号强度回升，表达水平恢复至正常，实现对修复过程的终止和稳定。
此外，外部人为因素如使用乙烯合成前体ACC，会抑制伤口处栓皮组织的正常再生，说明乙烯信号必须处于适当的动态平衡，为修复提供合适的时空环境。 氧气信号通过调控低氧响应途径的泛素-蛋白酶体介导降解机制，影响诸如PCO（植物半胱氨酸氧合酶）等关键酶类的表现，调节细胞命运决定过程。低氧信号持续强化会抑制栓皮层再生，证明氧气进入的缓解作用是启动修复必须的关键环节。研究表明乙烯与氧气信号对修复过程的调控具有叠加效应，彼此协同以确保修复的及时与准确。 科学家们利用氧微电极和气相色谱等先进设备实时监测受损组织局部的气体浓度动态变化，配合透射电子显微镜与荧光报告基因技术，描绘出分子和细胞水平气体感知机制全貌。结合随后对相关信号通路突变体的分析，揭示乙烯感受器及信号组分如EIN2、ETR1在此机制中的核心地位，也发现低氧反应调控蛋白质降解路径中的关键基因影响再生效率。
这一气体扩散感知机制为植物提供了一种精巧且高效的无源监测系统。由于气体分子扩散速度快且遍布组织，能够空间上无死角地覆盖屏障损伤可能发生的任何位置，弥补了传统信号分子受距离或载体限制的不足。 这一发现不仅有助于理解植物如何快速响应和修复环境伤害，还为农作物保护和提升耐逆性提供了新的策略潜在方向。通过调控乙烯或氧气信号通路，可望控制和促进植物伤口愈合，减少水分流失及病害感染，提高作物生产的稳定性和质量。 未来研究将进一步探索气体感知机制如何与肽类激素、机械信号、其他植物激素等多种途径协同作用，形成多层次、多信号整合的调控网络，精确调节植物各部位屏障的生成、修复与维持。此外，围绕不同植物种类、多种屏障类型（如果皮、树皮、角质层等）的气体监测机制，也将成为重点研究方向。
综上所述，植物通过感知乙烯和氧气的气体扩散变化，构建了一套高效、灵敏的屏障完整性监测与修复系统。这不仅表现出植物适应环境、增强生存能力的生物智慧，也为现代植物科学研究和农业应用开辟了新的视野，推动我们迈向更可持续和高效的植物生产未来。
