植物作为固定生物，面临着各种环境挑战，如水分流失、病原体侵袭以及机械损伤。为了保护自身免受外界不利因素影响，植物体表通常会形成一层由特殊细胞构成的屏障组织，例如由木栓层（或称栓皮层）组成的皮层组织以及被称为表皮的外层细胞。这些层结构不仅能有效阻止水分蒸发，还可防止微生物侵入。然而，植物在生长过程中或遭遇外部伤害时，这些屏障可能会被破坏。破损的屏障如果不能及时修复，将极大削弱植物的生存能力。基于这一需求，植物必须监测其屏障的完整性，及时做出反应，保证屏障的连续性和功能完好。
最新的科学研究指出，植物能够通过感知屏障组织内外的气体扩散变化，尤其是乙烯和氧气的流动，来实现这一监测机制。 气体扩散作为屏障完整性信号的核心依据在于被保护的组织层通常会限制气体的自由进出。当屏障完好时，乙烯等植物激素会在组织内部累积，而氧气的含量则维持在较低的状态，形成一定的内外气体浓度梯度。相反，当损伤出现，屏障被破坏，乙烯可迅速逸出，而氧气则进入组织内部，气体浓度的变化会触发植物内部信号通路的调节，从而启动受损区域的修复程序。 以阿拉伯芥根系为例，其外部保护层由由木栓形成的皮层组织组成，这一结构在植物的次生生长过程中尤为重要。实验显示，当皮层组织受机械伤害时，伤口处的乙烯会通过破损部位大量散失，使得乙烯信号传导活性下降。
同时，外界氧气进入原本贫氧的组织内部，缓解了低氧信号。这两者协同作用促进了伤口处新皮层的再生，赋予新形成的细胞沉积脂质和木质素，重新建立起防御层。随着屏障完整性恢复，内部乙烯浓度重新积累，氧气含量降低，乙烯信号及低氧信号恢复到伤前状态，从而终止修复过程。此外，在茎部表皮受损时，植物同样依赖气体扩散变化感知损伤，触发相似的修复机制，说明这一监测机制具有普遍性。 研究发现，乙烯信号在屏障再生中的角色复杂且关键。虽然外界通常认为伤害后乙烯的产生会上升以促进防御响应，但乙烯在此处却表现出抑制皮层再生的作用。
伤口区域因乙烯泄散导致乙烯信号减弱，实际上是启动屏障修复的关键开关之一。实验用植物激素乙烯的前体 ACC（1-氨基环丙烷-1-羧酸）处理后，皮层重建基因表达明显受抑制，且再生的保护层结构不连续，功能受损，证明乙烯高浓度抑制了屏障再生进程。此外，恢复乙烯信号则有助于修复终止，保持屏障形成的动态平衡。 氧气的作用同样不容忽视。正常情况下，皮层组织内部处于低氧环境，这种状态通过调控相关低氧响应基因维持细胞的稳态。伤口打开后，氧气进入组织，缓和了低氧信号，促进适当的基因表达以支持细胞分裂和分化，推动保护层再生。
研究中使用的氧气感应报告基因显示，伤口后氧气水平的上升迅速降低了低氧信号的活性。遗传学研究表明，持续的低氧信号抑制皮层再生，证实了氧气供给通过调控低氧信号通路促进修复的重要性。 乙烯信号和低氧信号在调节保护层修复方面具有叠加效应。单独调节任一信号对再生的影响有限，而同时维持高水平的乙烯和低氧信号则能显著阻碍皮层的修复过程。这种平衡机制保证了植物对损伤的灵敏响应，以及对再生过程的有效控制，防止过度修复或修复不足。 有趣的是，这种基于气体扩散的屏障监测机制不仅存在于根部，也适用于植物其他组织，包括茎部的表皮。
通过对茎部的伤害实验显示，伤口会诱发与根系皮层类似的保护层构建反应，该反应同样依赖于气体的快速交换。如果伤口被密封，乙烯及其他揮發性气体的扩散受阻，诱导保护层基因的表达和后续细胞分化过程显著受抑制。这表明气体扩散监测机制是一种具有广泛适应性的植物自我防御策略，可能在多个器官和发育阶段发挥作用。 在更广泛的生态和农业背景下，理解植物如何通过感知气体扩散持续监控和修复屏障组织，具有重要意义。屏障完整性直接关系植物的抗旱能力、病害抵御能力及机械稳定性。通过调控和优化这一机制，可望开发新型作物品种，具备更强的环境适应性和伤口修复能力。
此外，例如软木的经济价值来源于木栓层，其生物学机制的深入研究有望推动软木材料的可持续生产和利用。 与此同时，植物利用气体如乙烯和氧气作为信号分子，不仅参与局部组织的修复，也能够整体调节其生长发育。植物根系对土壤压实等环境状况的适应亦依赖于乙烯的累积与扩散，这与屏障监测机制存在内在联系，共同构成植物对环境应激的综合响应网络。 未来研究可进一步揭示气体扩散信号如何与其他信号系统如肽激素、机械应力和其它植物激素整合，共同决定屏障修复的空间定位与时间动态。这将有助于全面描绘植物屏障形成与修复的分子调控网络，为植物生理学及分子生物学研究提供崭新视角。 总之，依托于气体扩散感知功能，植物实现了对外部保护层的有效监控与自我修复。
这种独特的监测机制强化了植物在复杂且多变环境中的生存能力，并为农业生产和生物材料开发带来了新的启示。随着科学技术发展，对植物气体感受机制的深入探索，势必推动植物保护与利用领域的创新发展。
