植物作为陆地生态系统的重要组成部分，面临着各种环境威胁，如病原体入侵、机械损伤和水分流失。为了维持自身的健康与生存，植物进化出了一套复杂的屏障系统，这些屏障不仅物理上隔绝了内外环境，还承担着感知和应答外界刺激的功能。近年来，科学家们发现植物能够通过感知气体的扩散变化，动态监测其屏障完整性，从而促进屏障的再生和修复，这为我们揭示了植物自我保护机制的新篇章。屏障组织是植物与外界环境的第一道防线。大多数种子植物在其次生生长阶段形成由栓皮层（又称栓皮组织）构成的屏障，这层组织通过表面细胞壁的木质素和栓质沉积，形成坚韧且不透水的外壳，有效防止水分散失和病原体的侵袭。栓皮层主要由栓皮细胞、栓皮形成层以及栓皮下层细胞组成。
虽然它们在结构上构成了稳定的保护层，但这一层也很容易因机械损伤或自然伤害而出现破损，一旦完整性受到破坏，植物必须立即感知到这一信号，启动修复机制，重新建立保护屏障。最新研究揭示，植物通过监测两种关键气体的扩散变化来感知屏障的破损。这两种气体分别是植物激素乙烯和氧气。在屏障未受伤时，外层坚硬的栓皮细胞限制了乙烯和氧气的自由扩散，使体内乙烯积累，同时营造出一种低氧（缺氧）的生理环境。当屏障受伤时，这种限制被打破，乙烯逸散到外界，而外部氧气则进入内部组织，改变局部气体浓度，植物通过感知乙烯信号的降低和氧气引发的缺氧信号减弱，触发再生相关基因的表达，启动新栓皮层的分化过程，以恢复屏障完整性。具体而言，乙烯在植物体内是一种调节生长发育和应答逆境的重要激素。
一般情况下，受伤会诱导乙烯合成增加，强化植物防御反应，但却发现乙烯信号的降低反而促进了栓皮层的再生。这背后的机制是受伤时，集聚在屏障内侧的乙烯通过伤口快速扩散到外界，使得乙烯的内部信号传导下降，于是启动结构修复程序。另一方面，氧气作为细胞呼吸的必要分子，屏障的完整性也影响其流动。栓皮层的存在导致部分组织处于生理性缺氧状态，伤口的出现使得氧气大量进入，减少了缺氧诱导的信号，促进细胞分裂和组织再生。乙烯与氧气的信号路径不仅独立作用，还呈叠加效应，两者的共同调节精细平衡了屏障再建的启动与终止。对这一复杂调控机制的探索主要源自于模式植物阿拉伯芥的研究。
通过将植物的根部和茎部人工受伤，研究者利用特定基因的报告系统追踪屏障再生过程中的分子动态。研究显示，伤后第一天，代表栓皮细胞身份的基因如PER15迅速被激活，随后是栓皮形成层的细胞分裂，最后至第四天，组织显示出典型的木质素和栓质沉积标志，屏障功能随之恢复。进一步的实验中，通过封闭伤口阻止气体自由扩散，发现屏障再生显著受阻，证实气体扩散在修复中的关键作用。除了感觉和调节伤口处的乙烯与氧气变化，植物也通过调节特定的信号通路如N端降解途径响应缺氧变化，实现精准的发育控制。突变体分析如ate1;ate2缺失氧感应功能后，栓皮再生缺陷明显。更值得注意的是，植物在恢复完整屏障后，乙烯信号和缺氧信号会回归到受伤前的水平，确保再生过程不会持续过度，从而节约资源并维护生理平衡。
除了根部，这一气体扩散监测机制在植物茎部的屏障重建中也被发现。虽然茎部屏障结构不同于根部，主要依靠表皮和角质层，伤口仍能引起乙烯释放和信号变化，调节屏障修复过程，说明这种机制具有广泛适用性。了解植物通过气体扩散感知伤口并启动屏障修复的机制，不仅为基础生物学研究提供了新视角，也为农业和园艺领域带来了启示。通过调控乙烯信号和氧气环境，有望促进作物抵御机械损伤或病害后的快速恢复，提升植物健康和产量。此外，栓皮层作为植物重要的防御结构，在生态适应和经济利用方面意义重大，如软木栓皮的开发利用。对其形成机制的深入认识将推动优良树种的选育和栓皮产量改良。
未来研究方向可能涵盖如何结合其他信号分子如肽类激素、机械性应答和细胞通讯共同调节屏障修复的空间定位与时间节律。探讨不同植物器官、物种之间气体扩散监测机制的共性与特殊性，将进一步深化对植物环境适应策略的认知。植物作为多细胞生命体，通过简单的气体分子浓度变化巧妙实现对屏障损伤的感知，体现出生物进化中高度智慧与效率。这一发现不仅拓宽了我们对植物生理调控的认识，也为生态学、农业科学和生物技术应用开辟了全新前景。
