植物作为固定的生物体，在与环境的持续互动中发展出多种保护机制，尤其是通过形成外部屏障组织来隔绝不利因素。屏障的完整性是植物抵御病原体入侵和水分流失的关键。然而，植物如何感知自身保护组织的完整性并高效修复损伤，长期以来一直是植物生理学研究中的难题。最新科学研究揭示，植物通过感应气体的扩散变化，尤其是乙烯和氧气的流动情况，来实时监控屏障结构的完整性并调控再生过程。这种基于气体扩散的新颖感知机制为植物保护屏障的调控提供了深刻的分子和生理视角。 作为多层保护组织的典型代表，植物的软木层（periderm）在许多种子植物的次生生长阶段形成，承担着防止水分蒸发和病原入侵的功能，主要由木栓层（phellem）、木栓形成层（phellogen）及木栓皮层（phelloderm）三类细胞组成。
木栓层细胞壁沉积有木质素和脂肪酸类的木栓质和次生代谢产物，形成高效的物理与化学屏障。由于木栓层处于植物体外界环境直接接触的位置，极易受到机械损伤或生物侵害。在损伤发生后，植物迅速启动木栓层的再生机制，封闭断裂处，恢复屏障功能，确保体内环境的稳定。为何能够精准识别损伤位置及何时终止修复过程，是破解木栓层修复调控的核心关键。 科学家们通过对模式植物拟南芥根系的研究，发现乙烯和氧气在木栓层损伤和再生过程中扮演了重要的信号角色。在木栓层完好时，乙烯作为一种气态植物激素在细胞间弥漫但被屏障限制扩散，从而积累在根的成熟组织中，而组织内部由于屏障的限制也呈现一定的缺氧或低氧状态。
木栓层被机械损伤时，乙烯随伤口泄露到外部环境，分子浓度降低，导致乙烯信号通路被抑制；同时，氧气通过暴露的伤口快速渗入，缓解了组织的缺氧状况。乙烯信号与缺氧信号的这两种变化共同作用，触发了木栓形成层的活化和木栓层细胞分化的启动，恢复保护组织。待木栓层再生完毕，乙烯信号和低氧信号恢复到损伤前水平，植物由此结束修复过程。 在此过程中，乙烯信号的调节尤为精妙。尽管机械损伤刺激乙烯的合成增高，乙烯却因伤口泄露导致信号水平整体下降。研究使用转录及转译报告基因，实时追踪乙烯信号强度，证实发伤部位的乙烯信号迅速减弱。
乙烯信号的降低实际上解除其对木栓形成层细胞激活的抑制作用，保证修复过程得以顺利启动。药物试验显示，外源施加乙烯前体乙烯利（ACC）抑制了木栓标记基因的表达和木栓细胞的形成，进一步表明乙烯信号的负调控作用。乙烯敏感突变体对这些处理反应迟钝，明确了乙烯信号通路的关键调控地位。 氧气作为细胞代谢不可或缺的气体，同样对木栓层的再生起着不可忽视的作用。膜质屏障阻碍氧气入侵导致植物次生生长部分区域的低氧环境的存在。伤口使氧气入口打开，实时改变组织的氧气浓度，进而调节氧感受机制，尤其是N末端降解途径中的相关氧敏感蛋白和基因表达。
低氧信号的抑制促进了木栓形成过程，各类氧感受报告基因显示伤口附近表达下降，证明氧进入缓解了组织缺氧。氧气和乙烯双重信号的联合作用，在木栓层再生调控中呈现显著的协同效应，缺一不可。 不仅在根系，这种通过气体扩散监测屏障完整性的机制同样适用于其它植物器官。拟南芥花梗的外表皮受伤后，同样通过伤口释放乙烯和促进氧气进入，诱导形成类似木栓层的次生屏障。这说明植物普遍采用气体扩散作为环境监控的手段，以快速感知保护屏障的状态，并在必要时启动修复机制。 气体扩散监控的优点在于无需依赖复杂的位置特异性分子组件，而是利用植物体内和外部环境中气体浓度的动态变化，快速、低成本地反馈组织状态。
乙烯和氧气的双重信号体系保证了修复的时效性和精准性，既避免了对尚未受损组织的无谓激活，也确保了受损部位有效关闭，恢复屏障完整。除此之外，这一机制也为植物适应土壤紧实条件和水涝环境提供了基础，乙烯积累反映土壤通气状况，引导根系形态调整，内涵与屏障监控的一致性。 从应用角度出发，理解这一气体感应机制对农业生产和作物抗逆育种意义重大。木栓层保护是果树和块茎作物防病防水分流失的关键，调控乙烯和氧气信号通路或控制组织气体扩散性，有望提升植物伤口愈合和屏障有效性的速度与质量。此外，该机制为人工干预提供潜在靶点，例如通过外部气调或化学处理调节乙烯或氧气信号，促进植物屏障再生，延长作物贮藏期，减少病害损失。 未来研究可进一步探讨气体信号与其它激素、肽类信号和机械信号如何互联互通，共同实现屏障组织的精准空间构建。
同时，拓展到更多植物物种、不同类型屏障，以及生态环境与发育阶段中的调控特征，也将促进对植物整体防御策略的系统理解。 综上，植物通过感知内外乙烯和氧气的扩散动态，建立了一套高效、准确的屏障完整性监测和修复系统。这种基于气体扩散的监测方式，充分体现了植物利用环境物理特性的独特适应策略，不仅保证个体生存和稳态，也赋予其应对多变自然环境的灵活调节能力。植物科学领域对这一机制的深入探究，不仅为基础生物学理论增添新篇章，更为农业实践提供了创新视角与技术契机。
