褪黑素通过调控转录因子增强烟草类胡萝卜素合成与碳固定提升光合效率的机制研究

《Plant Growth Regulation》：Melatonin enhanced photosynthesis efficiency by improving carotenoid biosynthesis and carbon fixation via regulation of transcription factors

本研究针对褪黑素提升植物光合效率的分子机制尚不明确的问题，开展了褪黑素调控烟草光合作用机制的深入研究。通过叶面喷施褪黑素发现其能显著提升光合能力、促进抗氧化酶活性并增强活性氧(ROS)耐受性。RNA-seq分析表明褪黑素通过激活bHLH、WRKY、MYB等关键转录因子，协同调控类胡萝卜素生物合成和碳固定相关基因表达，为提高作物光合效率提供了新型环保农用化学品解决方案。

　　

在追求农业可持续发展的今天，如何提高作物的光合效率成为科学家们关注的焦点。光合作用是植物将光能转化为化学能的关键过程，而类胡萝卜素作为光合系统的重要组成部分，不仅参与光能捕获和保护，还是人体必需的维生素A前体。然而，全球仍有数百万儿童因维生素A缺乏面临失明风险，这凸显了提高农作物类胡萝卜素含量的紧迫性。

褪黑素作为一种多效性分子，在植物中已被证明能调节多种生理过程，包括种子萌发、开花、叶片衰老和光合作用。尽管前期研究表明褪黑素能增强光合活性，但其对类胡萝卜素生物合成的具体调控机制，特别是转录因子在褪黑素信号通路中的作用仍不清楚。发表在《Plant Growth Regulation》上的这项研究，正是为了解开这些谜团。

研究人员以重要经济作物烟草为模型，通过叶面喷施不同浓度褪黑素(0.15 mM、0.3 mM、0.6 mM)，系统评估了其对光合参数、抗氧化系统、色素含量及基因表达的影响。研究采用光合作用测量系统分析光合效率，通过超高效液相色谱-质谱联用技术测定色素含量，利用转录组测序和加权基因共表达网络分析揭示分子调控网络，并采用qRT-PCR验证关键基因表达。

MT treatment improved photosynthesis efficiency

研究发现褪黑素处理显著提升了烟草的光合效率。与对照组(CT)相比，褪黑素处理组(MT1、MT2、MT3)的PSII最大光化学效率(F_v/F_m)、非光化学淬灭(NPQ)、线性电子传输速率(ETR)和净CO₂同化率均明显提高，其中0.3 mM褪黑素处理效果最为显著。

MT treatment stimulated antioxidant enzymes and improved ROS tolerance in tobacco

褪黑素展现出强大的抗氧化能力，显著降低了超氧阴离子(O₂^-)和过氧化氢(H₂O₂)含量，同时降低了丙二醛(MDA)水平，提高了DPPH自由基清除能力。抗氧化酶活性分析显示，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性均显著增强。

MT treatment augmented carotenoids and chlorophyll contents in tobacco leaves

色素分析表明，褪黑素处理显著提高了叶片中的总叶绿素和类胡萝卜素含量。具体而言，叶绿素a、叶绿素b以及叶黄素、β-胡萝卜素、新黄质和紫黄质等主要类胡萝卜素组分均明显增加，其中0.3 mM褪黑素处理效果最佳。

Transcriptome analysis unveiled the differentially expressed genes(DEGs) between MT and CT

转录组分析鉴定出大量差异表达基因，在MT1 vs CT、MT2 vs CT、MT3 vs CT比较中分别发现5160、6123和7746个DEGs。KEGG富集分析显示这些基因显著富集于类胡萝卜素生物合成、氨基酸生物合成、光合作用、光合生物碳固定等通路。

Functional classification of DEGs

进一步分析发现，类胡萝卜素生物合成关键基因GGPPS5、PSY2、PDS、LCYE、LUT5等的表达均显著上调。同时，碳固定相关基因如RbcL、RbcS、GAPD、PGK、SBPI、PRK等也明显上调，表明褪黑素同时促进了光反应和碳同化过程。

The DEGs related to carotenoid, GA and ethylene metabolism

研究还发现褪黑素影响了赤霉素(GA)和乙烯代谢通路。GA生物合成关键酶GA20OX1表达上调，而降解酶GA2OX1表达下调。乙烯生物合成基因ACO1、ACO11、ACO12和ACS以及受体ETR1均表达上调，提示褪黑素可能通过多激素互作调控植物生理过程。

GCN of DEGs and transcription factors

基因共表达网络分析揭示了褪黑素调控的核心转录因子网络，包括bHLH(MYC2、bHLH143等)、WRKY(WRKY20、WRKY21等)、MYB(MYB1、MYB35等)、NAC(NAC3、NAC29)、MADS6和AP2/ERF(ERF061、AP2)。这些转录因子与类胡萝卜素合成、碳固定和叶绿素生物合成基因呈显著正相关。

The qRT-PCR analysis

qRT-PCR验证结果与转录组数据高度一致，证实了RNA-seq结果的可靠性。

讨论部分深入阐述了褪黑素通过调控转录因子网络协同促进类胡萝卜素生物合成和碳固定的分子机制。MYC2、MYB1、MADS6、ERF061和AP2等关键转录因子被证实能直接激活类胡萝卜素途径基因表达，同时褪黑素还通过增强抗氧化酶活性和调节激素代谢来维持光合机构的完整性。

该研究首次系统揭示了褪黑素通过转录因子网络调控类胡萝卜素生物合成和碳固定的分子机制，为理解褪黑素增强光合效率的作用提供了新视角。研究结果不仅具有重要理论意义，还为开发新型环保农用化学品、提高作物产量和营养价值提供了实践指导，对解决全球营养挑战具有积极推动作用。