植物的生命活动离不开有效的屏障组织，这些屏障不仅将植物内部环境与外界隔离开来，还承担保护植物防御病原体入侵和水分流失的重要职责。尤其是在多子叶植物中，随着二次生长的进行，形成的栓皮层成为一种关键的外部保护层。然而，植物屏障在生长环境中常常受到伤害，比如机械损伤或环境胁迫，这时植物如何知道自身屏障是否遭受破坏，并启动相应的修复机制成为了一个重要的科研课题。最新的研究揭示，植物能够通过感知气体的扩散状态，监测屏障的完整性，从而调控屏障的修复与再生过程。植物体内局部气体分子的流动，包括乙烯的泄露和氧气的侵入，为植物提供了一种独特的信号系统，引导其精准完成伤口处的屏障修复。 乙烯和氧气作为气体信号分子在植物生理调控中的作用长期为科学家所重视。
乙烯是一种关键的植物激素，其在调节植物生长发育、应对逆境、促进老化和伤口愈合等方面起着至关重要的功能。一般情况下，植物组织中的乙烯含量受其合成和扩散状态的制约。在完整的屏障组织中，乙烯难以自由逸出，保持一定浓度，从而维持特定的信号环境。当屏障受损，乙烯便容易通过伤口流失，导致局部信号浓度骤降。与此相反，氧气作为生命活动所必需的分子，在屏障完好的情况下很难进入内部组织，从而维持着相对缺氧的生理状态。一旦屏障破损，氧气得以进入，改变内环境的氧气浓度，进而影响细胞的缺氧信号通路，两者共同作用形成植物对屏障完整性的监测系统。
研究以拟南芥为模式，通过对其根部二次生长时形成的栓皮层进行伤口实验，表明在伤口部位乙烯信号明显减弱，同时氧气相关的缺氧信号被抑制。乙烯信号下降是因为成熟根部组织中积聚的乙烯被伤口迅速释放到外界，而氧气通过伤口进入内部组织，缓解了原本的低氧条件。这一气体信号的变化激活了多个栓皮层相关基因，包括与木栓细胞形成直接相关的PEROXIDASE15（PER15）等，促进了伤口处栓皮层的快速再生并恢复了屏障功能。研究中还通过封闭伤口以阻断气体扩散，观察到屏障恢复延迟，从而进一步印证气体扩散在调控过程中发挥的核心作用。 乙烯的信号通路在该过程中表现出负调控的特性。实验用1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC，乙烯前体）处理损伤根部，导致相关保护基因表达降低和木栓组织形成不完整，表明过高的乙烯信号抑制栓皮层再生。
相反，当伤口封闭，减少乙烯逸散，乙烯信号保持较高强度，再生进程受到抑制。利用特制乙烯信号动态报告系统的研究证实，在伤口部位乙烯信号水平迅速降低，并随着屏障修复复原，乙烯信号回归到受伤前水平。而乙烯信号的精确调控还参与修复过程的终止，防止过度或持续的栓皮层分化，保持组织结构的稳定。缺乏乙烯信号负调控的突变株在伤口处表现出过度的屏障组织形成，显示出该信号在调节过程中的重要性。 氧气的进入同样为促进屏障的再生提供了有力的信号支持。栓皮层中因木栓细胞壁中存在大量脂质类物质以及木质素，导致氧气难以透过，保持内环境相对低氧状态。
在屏障破损后，氧气大量进入，抑制了缺氧信号通路，如PLANT CYSTEINE OXIDASE（PCO）基因族的表达减弱，细胞由缺氧状态转为较高氧状态，促进了多种再生相关基因的激活。缺氧信号路径的调控通过N末端降解途径调节相关蛋白的稳定性，影响细胞对应伤口的应答能力。同时，氧气和乙烯信号有协同效应，两者共同促进屏障的再生。 此外，除了根部研究，研究发现植物茎部的表皮及其角质层在受伤后也通过类似的气体扩散机制进行屏障修复。尽管茎部的屏障结构与根部不同，没有典型的栓皮层，表皮的角质层依然限制气体交换，刺破后乙烯容易逸出，促进局部细胞的分化产生类似木栓的覆盖层，重新建立防护屏障。通过封闭伤口阻断气体扩散，修复过程同样被抑制。
虽然氧气信号在茎部的作用不明显，但乙烯气体扩散仍然是调控屏障再生的重要信号。研究表明，植物普遍采用分子气体扩散这种无须复杂细胞特异性信号传递的机制，来快速感知环境变化和自身屏障状态，体现了植物在缺乏运动能力的情况下独特的环境适应策略。 气体扩散的监测机制区别于其他依赖化学信号定位的屏障形成机制，如胚胎中胚层角质层的肽激素加工与感受的空间分隔，或根系卡氏带的局部配体和受体形成特异性的信号中心。该机制更适合作为一种整体环境状态的监测手段，提供触发或终止屏障修复的“环境反馈”信息。由于乙烯与氧气均为易扩散分子，其信号能够快速传递，确保植物能够及时对伤害作出反应，启动局部组织的再生与修复程序。 这套机制的发现，拓展了我们对植物如何感知自身组织状态及环境变化的理解。
除气体信号外，植物可能还会整合机械信号、肽激素和其他激素信号，形成多层次的复杂调控网络，实现对屏障修复的精准控制。未来针对气体扩散及其信号通路的深入研究，有助于揭示植物对逆境的自我保护策略，并为农业生产中的作物抗性改良和利用天然屏障优化提供新的思路。 植物屏障的气体扩散监测机制还展现了天然材料科学与植物生理学交汇的美妙之处。例如，人类长期以来使用的栓皮层木栓材料，其形成机制与植物利用乙烯和氧气信号监控组织完整性的过程密不可分。通过理解这种天然屏障的形成与修复原理，未来有望开发生物启发的智能材料，或改进生物医用材料及环境修复技术。 综上所述，植物通过感知乙烯和氧气的扩散变化，能够有效监测自身防护屏障的完整性，并基于这一信息快速启动或终止局部屏障的再生。
这种利用气体扩散信号实现的自我监控机制，体现了植物在长期进化中形成的高效适应机制，为我们认识植物的环境感知和组织修复提供了全新的视角。深入研究这一领域不仅丰富了植物学的基础知识，也为农业科技和材料科学提供了宝贵的理论依据和创新方向。
