植物作为固定的生物体，面临着来自环境中无数的生物和非生物胁迫。为了保护自身免受病原菌侵袭和水分流失，植物发展出了复杂且高效的保护性屏障，诸如表皮、角质层及次生生长时形成的软木层（periderm）。这些保护层不仅是植物与外界环境的第一道防线，也是维持植物体内稳态的关键。最近，科学研究揭示出，植物能够通过监测某些关键气体的扩散变化，及时感知其保护屏障是否受损，并启动相应的再生机制。 越来越多的证据表明，植物利用气体，尤其是乙烯和氧气，以一种非常巧妙的方式来感知屏障的完整性。在完好的保护屏障下，乙烯气体往往处于积累状态，同时内部组织处于相对缺氧或低氧的环境中；当屏障受损后，乙烯会迅速从伤口处泄漏到外部环境中，而氧气则通过伤口进入植物内部。
这种气体逆向流动的现象，形成了一种生理信号网络，促使植物感知屏障的破损，并激活相应的修复程序。 这项机制的研究主要以模式植物阿拉伯拟南芥（Arabidopsis thaliana）为对象。在根部的次生生长过程中，外层覆盖有由三种细胞类型组成的软木层，分别为软木层细胞（phellem）、软木形成层（phellogen）和软木皮层（phelloderm）。这些细胞层通过沉积木质素和脂质化的次生壁物质如木栓质形成坚固而防水的保护层。当根的软木层受伤，植物的神奇机制就启动了。乙烯气体从伤口处泄漏，导致局部乙烯信号传导的下降，同时氧气渗入缓解了细胞的低氧状态。
这种信号的变化激活了与保护层再生密切相关的基因，如PEROXIDASE15（PER15）和WUSCHEL RELATED HOMEOBOX 4（WOX4），并促进软木形成层的活跃分裂及分化，最终实现新的软木层生长，从而重建屏障完整性。 乙烯作为植物体内一种重要的气体激素，以其在果实成熟、应激反应和细胞分化中的多样作用闻名。传统上，乙烯的积累被视为伤害响应的重要标志，引导植物进行防御性调整。令人惊讶的是，损伤引发的乙烯产生既是信号也是调控因素，但据研究显示，实际的乙烯信号强度在伤口附近并非增加而是降低，这是由于乙烯气体通过伤口漏出，从而使本地信号传递受到抑制。这种抑制反而成为启动屏障修复的有利“解除”信号。 与此同时，植物组织内一般存在一定的低氧环境，尤其是在根的次生组织中，氧气进入受限，形成自然的生理性缺氧。
当屏障破损，氧气得以流入组织内部，缓解了缺氧信号。这一氧气供应的恢复亦对屏障的修复具有促进作用。携氧信号的降低与乙烯信号的降低相互结合，共同调节屏障再生的进程。研究还发现，缺氧反应相关调控因子的突变会影响软木层的形成，进一步证明了氧气信号在屏障修复中的重要性。 在实验中，学者使用了多个带有荧光报告基因的转基因系，能够高精度监测不同信号通路的动态变化。例如利用结合EBF1基因3’非翻译区的乙烯动态报告器精确反映乙烯信号强度变化，进一步证实受伤后乙烯信号特别是在近伤口区域显著降低。
此外，通过直接测量根和茎释放的乙烯浓度，发现受伤植物释放更多乙烯至周围环境，也印证了气体通过屏障破损孔洞扩散的假设。 此外，环境条件对这一监测系统有显著影响。当伤口被覆盖蜡质材料如凡士林或油脂类物质（乳木果油）密封，阻断了气体的自由扩散，乙烯信号不会下降，随着屏障再生相关基因的诱导减弱，修复进程受阻。这一事实支持了气体扩散在屏障监测中的关键角色。而在缺氧环境（低氧气浓度）下，屏障相关基因的激活同样受阻，显示氧气信号对修复过程的必需性。缺氧和乙烯信号抑制的叠加效果更为显著，强烈抑制了保护屏障的再生。
不仅限于根部，研究发现植物茎部的表皮受伤同样激活类似的保护机制。尽管植株茎部不发育传统意义上的软木层，表皮和角质层承担屏障功能，受伤后会诱导形成皮层细胞纤维化及亚油酸沉积，形成类似软木结构的防御层。茎部受伤同样伴随乙烯的释放，气体封闭同样会阻碍修复基因的表达，这提示气体扩散监测是植物维护屏障完整性的普遍策略。不同器官或物种或许通过扩散的气体信号来协调保护层的形成和再生，以适应多变的外界条件。 基于目前的研究结果，科学家提出了一个对植株防御生态适应具有广泛意义的原理：植物利用乙烯和氧在组织内外的扩散逆向变化，实现对保护屏障整体状况的实时监测。完好的保护屏障限制乙烯外泄且降低氧气内渗，维持内部组织的乙烯累积和生理低氧状态。
当屏障破损时，乙烯外泄和氧气内渗产生新的信号状态，激活再生修复机制，待屏障修复完成，气体扩散受阻，信号恢复至原始水平，修复过程停止。这一反馈环路保证了屏障完整性及时被维持，而避免不必要的能量消耗。 这一机制的发现不仅加深了我们对植物应对外界伤害的认知，亦为未来农业生产中的病害抗性和伤口愈合提供潜在应用方向。了解植物如何感知气体扩散信号，或能帮助改良作物的伤害修复能力，提升抗逆性与产量。同时，这一生理机理为相关生物传感器的设计提供灵感，推动生物工程技术的进步。 总之，植物通过气体扩散，尤其是乙烯与氧气的动态变化，巧妙地监测自身保护屏障的完整性，及时应对环境伤害。
释放与接纳气体的平衡为其提供了非接触式的信号传递路径，促进对植物生命体协调防御、修复和生长的深入理解。未来更多关于植物气体感知机制的研究，将继续揭示生命在环境中的精妙适应策略。
