植物作为生命体，与外界环境不断进行物质与信息的交换，同时必须保持自身组织的完整与安全。尤其是植物体表的屏障结构，如根部的栓皮层和茎部的表皮层，是抵御病原体入侵、减少水分流失以及应对各种逆境环境的第一道防线。近期科学研究发现，植物不仅依赖物理和化学屏障，还能通过感知气体的扩散状态来监测其保护层的完整性，为我们揭示了一种全新的植物自我保护策略。 屏障组织对植物的重要性不言而喻。以栓皮层为例，其形成过程伴随着细胞壁中木质素和次生代谢产物次生质的沉积，构筑出坚固的屏障防止水分和气体自由交换。然而，随着植物生长或遇到机械伤害，保护层往往会受损。
如何感知这一受损状态并快速启动修复机制，对于植物的生存与适应至关重要。传统观点认为，植物主要通过信号分子和激素传导来实现损伤感知与修复启动，但现代研究提出了更为直接的环境物理信号感知路径——气体扩散的感应。 最新的植物分子生物学研究集中于拟南芥根部栓皮层的保护层再生机理。科学家们通过切割根部外表的栓皮层伤口，观察到了局部乙烯和氧气浓度的变化，以及相关信号路径的响应。乙烯作为一种气态植物激素，在组织完好时积聚于根部内部，当栓皮层完整时，乙烯的扩散受到严格限制，维持较高的局部浓度。伤口形成后，乙烯迅速从缺口处泄露至环境，导致根组织内部乙烯信号强度下降。
相反，氧气通过伤口渗透进入原本处于轻微缺氧状态的组织，使得氧气信号得以激活。 这两种气体信号的变化触发植物重新激活栓皮层的形成过程。具体表现为，栓皮层相关基因如PEROXIDASE15（PER15）和PYK10-binding protein 1（PBP1）等在伤口周围被诱导表达，促使表皮细胞经历分裂和分化，形成新的木质化和次生质沉积，从而重新建立起物理屏障。此外，对乙烯前体1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）的外源处理显示，乙烯信号抑制栓皮层的再生，进一步确认了乙烯信号减少是启动保护屏障修复的关键触发点。 氧气在这个过程中同样发挥重要作用。植物体内由栓皮层限制氧气进入，内层组织通常处于相对缺氧环境。
伤口的产生导致氧气的流入，调节以植物半胱氨酸氧化酶（PCOs）为代表的缺氧信号通路，解除缺氧信号的抑制效应，激活修复相关基因表达。这种氧气信号的恢复与乙烯信号的降低相互协同，形成了一个高度协调的信号网络促进保护层的再建立。 这一气体扩散感应机制不仅限于根部。研究还发现，在拟南芥开花茎的伤口处，类似机制启动了表皮细胞的修复并促使形成附属性的栓皮层样防护层。封闭伤口会阻断乙烯和氧气的扩散，显著抑制修复相关基因的表达与保护屏障的重构，进一步佐证气体扩散在植物伤口感知中的关键作用。 与传统的激素信号和机械压力感应不同，气体扩散提供一种快速响应的物理信号通路。
其优势在于无需专门的感受器细胞即可通过居于屏障细胞与环境交界处的气体分子浓度变化来传递伤口信息，迅速激活整体组织的保护措施。这种机制为植物如何在不可移动的状态下主动适应环境伤害提供了有力的理论支持。 这些研究成果不仅丰富了植物生物学的基础理论，也具有广泛的应用前景。了解和操控植物的气体感应机制，有助于培育抗逆性更强、生长更稳健的作物品种。同时在果树类经济作物，如苹果和柑橘的栽培管理中，通过调控乙烯与氧气相关通路，或许能提升果实表皮防御力，减少病害和机械损伤带来的经济损失。 未来，随着基因编辑技术和高通量表型分析的发展，科学家可望更深入揭示气体扩散感应机制的调控网络及其在不同植物器官、不同物种中的多样性和保守性。
此外，结合环境变化和气候胁迫条件下的气体感应机制研究，也将为可持续农业提供理论支撑，从而实现利用植物固有的智能防御系统，提高作物产量和品质。 综合来看，植物通过乙烯和氧气的扩散变化感知保护层的完整性，启动修复机制，从而保证其在复杂多变的环境中生存和繁衍。气体扩散感应不仅是一种创新性的生物信号传导方式，更折射出植物独特的适应智慧，值得深入探索和广泛应用。随着未来研究的推进，这一领域无疑将为农业科学和生态保护注入新的活力。
