在自然界中，植物作为固定不动的生命体，必须依靠自身的防御机制来抵御外界的环境压力和伤害。植物体表的保护屏障，如栓皮层和表皮，起着隔绝外界病原微生物和防止水分流失的重要作用。近年来，植物生理学的研究揭示了一个令人惊叹的机制：植物通过感知气体扩散变化来监控其保护屏障的完整性。简而言之，气体的进出流动为植物传递了关键的信号，引导植物实施有效的屏障修复和再生。 栓皮层作为许多被子植物的第二生长阶段形成的外层组织，主要由软木层、栓层分生组织和栓皮下层组成，其外层的软木细胞壁中富含木质素和栓质，为植物构筑了坚固的物理防御屏障。植物遭受机械损伤或病菌侵袭后，栓皮层的完整性被破坏，如何迅速感知损伤信号并启动修复成为植物存活的关键。
近代科学家们用实验方法揭示了乙烯和氧气两种气体在该过程中扮演的角色。 乙烯，一种植物激素，以气体形式存在，在植物的生长发育和应激反应中起着调控作用。正常情况下，当栓皮层完好无损时，乙烯被有效地限制在体内，高浓度的乙烯信号维持着一个稳定的生理状态。然而，当屏障受损时，乙烯通过伤口逸散至外界，导致细胞内乙烯浓度下降，这种局部乙烯信号的减弱反而成为恢复屏障的启动信号。实验证实，在阿拉伯芥根部的伤口位置，乙烯信号水平显著降低，促进了新栓皮层的形成与分化。引入乙烯的前体物质或外源乙烯则抑制了该过程，表明调控乙烯信号的细致平衡对屏障再生至关重要。
与此同时，氧气在植物根部次生组织中处于一种相对缺氧的环境，这是由于栓皮层对气体的高度阻隔作用。研究显示，伤口形成后，外界氧气通过伤口进入组织，导致局部氧气浓度升高，缓解了组织的缺氧信号反应。植物通过氧气敏感的转录因子和相关信号通路感知这种变化，促进了栓皮层细胞的活跃分裂与发育。以PLANT CYSTEINE OXIDASE(PCO)基因为代表的缺氧响应调控系统在这一过程中扮演了关键角色。研究发现，维持缺氧状态会抑制栓皮层的再生，反之则促进其形成。 乙烯信号的减弱与氧气信号的增强共同作用，形成一种气体信号互补调节机制，精准地调控植被保护屏障的修复过程。
实验中的突变体和化学处理进一步支持了两种气体信号的协同作用，且在乙烯信号和缺氧信号均被扰动时，屏障修复几乎完全受阻。这不仅反映了植物对气体环境感知的复杂性，更显示出气体扩散作为一种简单而高效的生物信息传递手段广泛应用于植物的生理调控。 除了根部的栓皮层，植物茎部的表皮屏障同样利用气体感知机制来进行完整性的监测。研究表明，茎的长轴切割损伤后，植物于伤口处同样会诱导以乙烯为主的气体信号变化并促进屏障层的再生。不同于根部，茎部缺氧信号的变化不明显，但乙烯的释放和信号减弱仍然构成关键的感知机制。通过物理封闭伤口抑制气体扩散实验，进一步证实了气体信号在屏障恢复中的重要调节作用。
这一发现生动诠释了植物如何借助气体扩散的物理性质，将内部环境变化迅速传递至受损部位，借助气体浓度的变化作为警报信号，启动细胞活动，组织恢复。这种“气体屏障监测系统”不依赖于复杂的定位信号，利用气体本身的扩散特性实现全局感知与局部响应。尽管气体扩散缺少空间精度，但与诸如肽类激素、机械应力等信号结合后，能够多维度调控屏障重建，实现高效且准确的组织修复。 从应用角度来看，理解植物如何基于气体扩散监测屏障的完整性，为农业生产和林业管理提供了新思路。比如，通过调节乙烯信号通路，可以优化作物的伤口愈合过程，减少病害入侵。同时，人工诱导氧气供应或者控制乙烯浓度可能促进果蔬耐伤性和储藏品质。
软木的收获过程亦可能因理解栓皮层的再生机制而得到改良，提高资源利用效率。 整体而言，植物通过感知乙烯向外逸散和氧气向内流入的气体扩散变化，巧妙地监控着保护屏障的状态。这一以气体为介质的信号系统，灵活且高效地整合了环境变化与内生发育信号，保障植物在多变的自然环境中维持屏障完整，提升生存适应能力。未来，揭示更多气体感知相关的信号机制及其与其他调控路径的互作，将丰厚我们对植物防御和再生的认知，加速创新农业科技的发展。
