褪黑素在马齿苋中的动态不稳定性：揭示其与非定向响应和非生物因子的潜在联系

《South African Journal of Botany》：Melatonin's dynamic instability in Portulaca: Decoding its probable link with non-directional responses and abiotic factors

本研究针对植物褪黑素在昼夜节律和非生物胁迫响应中的调控机制尚不明确的问题，以CAM植物马齿苋为模型，探究了其褪黑素的时空动态、热敏感性及组织重分布。研究发现褪黑素在马齿苋中呈现根向富集和温度驱动的节律性重分布，峰值浓度与夏季前高温期同步，且热胁迫显著影响其稳定性，揭示了褪黑素作为热响应时序激素在协调环境适应性与胁迫恢复力中的关键作用，为时序激素研究提供了新模型。

　　

在植物王国的隐秘世界里，一种名为褪黑素（Melatonin）的分子正悄然展现其超越动物生理的复杂功能。长久以来，褪黑素因其在调节动物睡眠-觉醒周期中的作用而闻名，但当科学家们在植物中也发现这种物质时，一场认知革命随之开启。在植物中，这种结构与生长素类似的吲哚胺（Indoleamine）不再仅仅是“睡眠激素”，而是演变为一个多功能的调控枢纽，参与光形态建成、生长发育、衰老、氧化胁迫响应乃至免疫 priming 和激素交叉对话。然而，尽管我们对植物中褪黑素的生物合成途径已有初步了解，其下游信号传导机制，特别是如何将环境信号转化为复杂生理响应的精确路径，仍然笼罩在迷雾之中。

一个特别引人入胜的谜题是：植物如何利用像褪黑素这样的时序激素来协调与环境周期同步的复杂节律行为？感性运动（Nyctinasty），即叶片或花器官可逆的、昼夜节律调控的运动，便是这种内源性振荡器与环境授时因子（Zeitgeber）相互作用的典范。这些由运动细胞膨压变化驱动的运动，受到光-暗转换和温度周期的引导。虽然生长素（Auxin）、脱落酸（ABA）和细胞分裂素（Cytokinins）已被证明与膨压调节和气孔行为有关，但它们在田间相关条件下调控感性运动周期性的具体角色仍不清晰。环境线索如何通过激素机制转化为非定向节律运动，这一领域在很大程度上仍待探索。

正是在这一科学背景下，马齿苋（Portulaca oleracea）和大花马齿苋（P. grandiflora）走入了研究者的视野。这两种植物因其独特的性状组合而成为研究褪黑素介导的昼夜节律调控和感性运动的理想模型系统。作为兼性景天酸代谢（CAM）植物，它们表现出明显的时间代谢分区，并在叶片和花部均展现出强烈的感性运动，这些运动明显受到光热信号的引导。它们卓越的非生物胁迫恢复力、代谢可塑性以及动态的花结构，为研究褪黑素如何跨昼夜和季节周期协调激素重分布提供了丰富的框架。尤为关键的是，马齿苋为解析褪黑素在非定向、膨压驱动的运动（如感性运动）中的作用提供了一个尚未充分探索的机会。与向性反应不同，感性运动是快速、可逆的，并可能由离子流和激素交叉对话所介导。这些特性共同使马齿苋物种成为强大的时间生物学模型，用于阐明褪黑素是否作为一种热响应的、受环境门控的时序信号，整合昼夜节律与生理适应。

为了回答上述问题，研究人员开展了一项系统性的研究，论文发表在《South African Journal of Botany》上。该研究旨在剖析褪黑素在CAM适应型马齿苋中的时空动态、热敏感性及组织重分布，并将其定位为一种协调环境和生理同步的热响应时序激素。

研究人员主要运用了几项关键技术：他们在受控条件下培育了多种马齿苋，跨季节和昼夜时间点（Zeitgeber Time, ZT）追踪其感性运动并检测各组织内源褪黑素含量；通过反相高效液相色谱（RP-HPLC）、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）和核磁共振（NMR）进行褪黑素的定性与定量分析；评估了褪黑素在热和光胁迫下的降解情况；并利用定制的光暗周期条件培养箱进行胁迫 conditioning 实验，观察植物表型及褪黑素水平变化。所有定量分析均设三次重复，并采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和热图可视化进行统计学处理。

3.1. 马齿苋物种在季节和温度变化下的褪黑素积累时空动态

研究发现，褪黑素含量在马齿苋组织中呈现出显著的时空动态变化，并与光照、温度及季节变化等变量相关。其中，温度是主要调控因子。夏季前季节（Pre-summer）观察到最大的温度波动，也正是在此期间，根部（root）的褪黑素含量达到峰值。研究首次揭示了褪黑素浓度的波动在植物地上系统（叶、茎、花）中高于地下部分（根）。具有瞬时性褪黑素含量的组织（如叶和花）中观察到了非定向响应。褪黑素在光期（photophase）向地上系统的流动总是影响花和叶的开放，而在暗期（scotophase），褪黑素涌入地下部分，导致花和叶闭合。研究表明，褪黑素更像是一种温度解胁迫激素而非单纯的光对抗剂。比较而言，马齿苋（P. oleracea）比大花马齿苋（P. grandiflora）具有更高且更稳定的褪黑素含量，这可能解释了前者更强的营养增殖潜力。研究结果挑战了关于生殖器官富集褪黑素的普遍假设，反而揭示了马齿苋中一种细微的、时空动态的分配策略，其根部是褪黑素储存和信号传导的中心枢纽。

3.2. 褪黑素稳定性的热敏感性及其对光的调控优先性

褪黑素降解研究表明，热量（35°C）比光照（3000 lux）能更快地使其降解。这确认了温度对褪黑素稳定性和活性的影响显著大于光照，突出了温度在调节马齿苋褪黑素稳态中的首要地位。

3.3. Conditioning诱导的胁迫揭示了褪黑素介导的马齿苋节律调控的局限性

在持续光照或持续黑暗的 conditioning 条件下，测试植株出现萎蔫、失去非定向响应甚至叶片坏死斑等症状。尽管胁迫诱导了褪黑素水平的峰值，但在持续胁迫下，褪黑素无法逆转损伤，也无法完全维持节律性的感性运动。这表明，一致的光周期对于这类多肉植物的生存是必需的，而褪黑素在此背景下主要扮演了一种缓解胁迫的激素角色，但其保护作用是条件性的，而非绝对的。

3.4. 马齿苋中褪黑素的结构保守性：光谱验证证据

通过RP-HPLC、LC-MS/MS和NMR（¹H NMR, ¹³C NMR）分析，证实从马齿苋中纯化的褪黑素与动物来源的褪黑素标准品在结构上高度一致，表明其化学结构的进化保守性。这为植物褪黑素的鉴定和功能研究提供了坚实的基础。

4. 结论与讨论

本研究得出结论，褪黑素在马齿苋中作为一种高度动态、热响应的信号分子，通过协同整合环境和昼夜节律线索，从根本上调控着组织特异性的生理适应。显著的根向富集、强烈的温度依赖性以及节律性的昼夜重分布，共同确立了温度作为这些CAM适应物种中褪黑素稳态的主要调节因子。褪黑素的这种时空调节可能对于赋予植物水力灵活性以及在剧烈温度波动下增强胁迫恢复力至关重要。

关键的是，地上组织（尤其是花器官）中持续的低水平和快速周转的褪黑素，揭示了一个精细调控的、组织特异性的代谢景观，反映了由遗传背景和环境共同塑造的复杂调控网络。尽管褪黑素水平升高可以在非生物胁迫期间部分维持生理功能，但在持续挑战下无法完全恢复节律性感性运动，这凸显了其保护作用的条件性而非绝对性。

这些发现不仅推翻了关于生殖器官褪黑素富集和光周期主导性的流行范式，而且明确地将马齿苋确立为解析环境胁迫适应背后时序激素机制的首选模型。深化这一研究基础需要有针对性的分子研究，包括基因表达谱分析、受体鉴定和整合生理学分析，以解析褪黑素协调适应性反应的因果通路。这种机制上的理解对于在加速的气候变化背景下制定作物改良和增强恢复力的策略将具有重要的指导意义。该研究为理解植物如何利用内源性激素信号应对复杂环境挑战提供了新的视角和重要的实验依据。