植物作为静止生物，进化出多种特殊机制来应对环境挑战，其保护屏障的完整性对于防止水分流失和抵御病原侵染至关重要。最新研究表明，植物能够通过感知气体的扩散状况来监控这些屏障的完整性，特别是在遭受机械损伤后，迅速启动修复和再生过程。这种气体感知机制为理解植物屏障组织的自我维护提供了新的视角，也为农业和林业提供了演示屏障修复的潜在应用策略。植物的主要保护屏障之一是由次生生长过程中形成的栓皮层（periderm），它由栓皮层原基（phellogen）、栓皮细胞（phellem，又称软木层）和栓皮内皮（phelloderm）三类细胞组成。栓皮细胞通过其细胞壁中沉积的软木质素和栓质形成坚固的物理屏障，防止水分过度蒸发及病原侵染。栓皮层的损伤频繁发生于自然环境下，例如动物啃食、机械压伤或环境压力变化，当栓皮层受损时，植物必须启动精确的感知与修复机制以重塑屏障功能。
科研团队以阿拉伯芥根系为主要模型，开展了长期的伤口诱导栓皮层再生研究，揭示了气体扩散在其中的独特作用。在实验中，通过纵向切割根部成熟区域，观察到了栓皮层修复的时间序列：受伤后第一天，栓皮层相关基因（如PER15、PER49等）迅速激活，随后在伤口处细胞开始分裂，形成栓皮层原基样结构，至第四天，修复出的细胞表现出软木质素和栓质的沉积，完成了功能屏障的重建。这一再生过程不仅形态清晰，功能也得以恢复，实验证明重新建立的栓皮层能有效限制染色底物进入内生组织，提示其屏障功能的恢复是完整的。重要的是，研究揭示了气体激素乙烯（ethylene）和氧气（oxygen）的扩散动态在感知屏障损伤中的核心作用。自然状态下，栓皮层限制了乙烯和氧气的自由扩散，使得乙烯在内部积累形成一定浓度，同时由于氧气难以渗透，内部呈现轻微缺氧状态。当受伤发生时，栓皮层的物理屏障被破坏，乙烯向外逸散降低了组织内部乙烯信号，而氧气得以流入缓解缺氧状态。
这种气体微环境的变化被植物细胞感知为屏障完整性的丧失信号，从而激活栓皮层修复机制。更详细地说，乙烯既是一种促进植物生长和环境适应的关键激素，但在栓皮层再生中却表现出抑制作用。实验使用乙烯前体ACCO和乙烯直接处理均显著降低了栓皮层相关基因的激活和软木细胞的形成，显示高乙烯信号抑制了再生。相反，一旦伤口处乙烯向外扩散减少组织内乙烯信号，反而促进了修复。氧气的作用则是通过缓解缺氧信号促进修复。利用缺氧响应基因（如PCO1、PCO2）的报告基因，研究人员观察到枝条断裂后缺氧信号迅速减少，氧气进入组织成为重要促发因子。
缺氧信号持续强烈的突变体显示修复缺陷，进一步支持氧气流入及缺氧信号衰减的作用。乙烯信号和缺氧信号相加作用，精细调控修复的时机与进程。伤口愈合后的恢复期，乙烯和氧气的扩散再次受限制，这两个信号恢复至受伤前水平，标志修复完成，植物终止栓皮层生长。这种基于气体扩散的监控机制不仅适用于根部，也存在于茎部。例如，阿拉伯芥开花茎受伤后，虽然不形成完整的栓皮层，但伤口处会形成类似于栓皮细胞的软木样层，并通过气体扩散感知进行调控。虽然乙烯和缺氧信号在茎部的作用较弱，但气体介导的屏障监控作为普遍机制被提出。
气体扩散监控系统的发现拓展了我们对植物感知环境和自身状态的理解。过去研究多关注分子信号如肽类激素、激素级联等机制，而气体作为信号因普遍扩散性强、空间限制少，提供了快速且全局性的反馈，尤其适合监测大面积的屏障损伤。该机制显然在保证植物及时响应伤害、启动保护机制中发挥重要作用，同时也能确保修复过程的准确终止，避免资源浪费。此发现有助于指导农业领域针对作物抗病性和伤口愈合能力的改良。通过调控乙烯及氧气相关信号途径，可能实现促进作物屏障再生速度、提高抗逆性。此外，经济林木如软木栓皮橡木，保护层的再生技术提升可扩展软木采伐的可持续性。
未来研究将重点在于探索气体感知机制的分子受体、信号转导网络，以及与传统激素和机械信号交互的模式。同时，不同植物组织类型及不同物种间的机制差异与通用原则的挖掘，将推动基于气体信号的植物生理调控应用。综上所述，植物通过监测乙烯和氧气的双向扩散，精妙地感知其保护屏障的完整性，实现伤口的快速感知与精准修复。这种气体扩散感知机制不仅丰富了植物响应环境的理解，也为植物屏障维护机制开辟新视野，具备重要的生物学研究价值和潜在的农业利用前景。
