褪黑素和抗坏血酸在紫外线照射下协同促进葫芦巴生长、光合作用、抗氧化防御以及 Diosgenin 生物合成的作用

《Plant Physiology and Biochemistry》：Synergistic Role of Melatonin and Ascorbic Acid in Enhancing Fenugreek Growth, Photosynthesis, Antioxidant Defense, and Diosgenin Biosynthesis under UV Irradiation

紫外辐射对植物生长和代谢的影响及其与褪黑素、抗坏血酸协同作用的研究。实验采用裂区设计，分析UVB和UVA对Fenugreek生长、膜稳定性、抗氧化酶活性及二萜烯合成基因表达的影响，结果显示UVB显著抑制生长并诱导氧化损伤，而褪黑素和抗坏血酸协同处理可缓解UVB胁迫，提高二萜烯含量达105 mg/g DW。

　　紫外线辐射，尤其是UVB，对植物的光生物学特性具有深远的影响，通过改变植物的生物和生化活动来调控其生长和代谢。尽管过量的UVC和UVB辐射可能导致植物生长受限、代谢异常以及光合作用受损，但适度的紫外线辐射作为环境信号，在塑造植物次生代谢产物的生物合成和储存方面发挥着关键作用。本研究旨在探讨外源褪黑素和抗坏血酸如何影响植物对UVA和UVB辐射的反应，包括生长、生理和生化特征、叶绿素荧光以及二氢刺芒柄霉（diosgenin）含量。通过使用一种分组实验设计，实验分为四个紫外线辐射等级（对照、UVA、UVB、UVA+UVB）作为主要因素，而缓解压力的处理（对照、1 mM抗坏血酸、100 μM褪黑素及其组合）则作为次要因素，共有三组重复。实验结果显示，UVB辐射降低了生物量和可变叶绿素荧光，同时增加了最小荧光、丙二醛（MDA）水平、电解质渗漏以及酶促（过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶）和非酶促（酚类、黄酮类）抗氧化剂。相比之下，UVA辐射对MDA水平、电解质渗漏、酶促和非酶促抗氧化剂，或叶绿素荧光没有显著影响，但其确实提高了生物量和产量。外源褪黑素和抗坏血酸的应用增加了二氢刺芒柄霉的产量和可变叶绿素荧光。它们的联合应用在UVB条件下显著降低了电解质渗漏、最小荧光和MDA水平。研究强调了外源褪黑素和抗坏血酸在UVB辐射下对二氢刺芒柄霉总酚和黄酮类化合物含量的积极影响，尽管它们降低了过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性。褪黑素、抗坏血酸、UVA和UVB处理上调了与二氢刺芒柄霉生物合成相关的基因，如SEP、SQS、CAS、SMT和C7，从而促进了二氢刺芒柄霉的合成。结果表明，褪黑素、抗坏血酸和紫外线的应用可能是一种有效策略，通过上调其生物合成途径中的基因表达来增强二氢刺芒柄霉的合成。然而，进一步的实验验证是必要的以确认这些发现。

### 紫外线对植物的影响与适应机制

紫外线是太阳光谱的一部分，根据波长可分为UVC（100-280纳米）、UVB（280-315纳米）和UVA（315-400纳米）。臭氧层对UVC的吸收完全，而UVB则部分被臭氧层吸收，但由于臭氧层的破坏，地表UVB的强度显著增加，对生物系统造成有害影响。相比之下，UVA辐射不受臭氧层变化的影响，其光子能量低于UVB。植物通过特定的光受体（如隐花色素和向光素）感知UVA，参与多种光形态发生反应。UVA对植物的破坏性较低，可能在某些条件下促进生长和形态变化，而UVB则因其高能量特性对植物造成显著的光化学损伤。

植物对紫外线的反应与其光受体的类型、基因型、发育阶段、光质、暴露时间和环境条件密切相关。UVB辐射对植物的生长和生物量产生显著的抑制作用，这可能与其诱导的氧化应激有关，导致活性氧（ROS）的过度产生，破坏细胞稳态和脂质过氧化，进而影响膜完整性及酶活性。UVB还会影响Rubisco活性和碳固定，从而减少淀粉和干物质积累。此外，UVB会改变气孔行为，减少叶片厚度，限制冠层扩展，所有这些因素都会导致生长和产量下降。相比之下，UVA辐射对植物的影响较为复杂，某些研究显示其可能促进生长和形态变化，而另一些研究则发现其对生物量和叶片扩展没有显著影响，甚至可能产生负面影响。

### 外源褪黑素和抗坏血酸的作用

褪黑素是一种天然存在于植物中的吲哚类分子，具有强大的抗氧化特性，并能穿透细胞器，如细胞质、线粒体和细胞核。研究表明，外源褪黑素可以增强植物对非生物胁迫的耐受性，包括盐胁迫、低温胁迫、酸雨胁迫和水分胁迫。褪黑素不仅能缓解紫外线诱导的氧化应激，还能在光保护中发挥关键作用。它可以直接清除ROS，并增强过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶等抗氧化酶的活性，从而减少氧化损伤。此外，褪黑素调节与胁迫耐受相关的信号通路，提高光合装置在紫外线暴露下的稳定性和效率。

抗坏血酸是植物抵御活性自由基的关键抗氧化剂，不仅调节细胞分裂和光合作用，还参与过氧化氢酶-谷胱甘肽（AsA–GSH）循环，帮助清除ROS并维持细胞内环境的稳定。抗坏血酸在紫外线诱导的氧化应激中起到重要作用，通过直接清除ROS和促进其他抗氧化分子（如谷胱甘肽）的再生，保护细胞结构。此外，抗坏血酸还能作为氧酶的辅因子，参与甾体皂苷的生物合成，提高植物对环境胁迫的适应能力。

### 紫外线与外源物质的相互作用

本研究发现，外源褪黑素和抗坏血酸的应用显著提高了二氢刺芒柄霉的产量和可变叶绿素荧光。它们的联合应用在UVB条件下显著降低了电解质渗漏、最小荧光和MDA水平。这种作用机制可能与褪黑素和抗坏血酸在抗氧化和信号传导中的协同效应有关。褪黑素通过其多效信号分子特性，调节与胁迫响应相关的转录因子（如WRKY和MYB），从而激活与二氢刺芒柄霉生物合成相关的基因。抗坏血酸则通过直接清除ROS和在AsA–GSH循环中作为辅因子，维持氧化还原平衡，促进二氢刺芒柄霉的积累。

### 实验方法与结果分析

实验采用分组设计，在温室中进行，共分为四个紫外线辐射等级（对照、UVA、UVB、UVA+UVB）和四种缓解处理（对照、1 mM抗坏血酸、100 μM褪黑素及其组合）。通过叶面喷施的方式进行处理，持续时间从植物四片真叶阶段开始，直到收获。叶绿素荧光、MDA含量、电解质渗漏和抗氧化酶活性等参数通过一系列实验方法进行测定。结果显示，UVB辐射显著降低了生物量、1000粒重和每株种子数，而UVA辐射则表现出一定的促进作用。外源褪黑素和抗坏血酸的应用在不同紫外线处理下显示出不同程度的保护效果，尤其是在UVB条件下，它们的联合应用显著提高了二氢刺芒柄霉的产量和相关基因的表达。

### 基因表达与代谢调控

通过实时PCR分析，研究了与二氢刺芒柄霉生物合成相关的基因（如SEP、SQS、CAS、SSR、SMT和C7）的表达水平。结果显示，所有基因的表达均受到不同处理的影响，其中UVB和褪黑素/抗坏血酸的组合处理对基因表达的影响最为显著。这些基因的上调促进了二氢刺芒柄霉的生物合成，提高了其在植物体内的积累。此外，褪黑素和抗坏血酸的协同作用还通过调节过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性，改善了光合系统的稳定性，减少了光抑制和氧化损伤。

### 未来研究方向与应用前景

尽管本研究揭示了外源褪黑素和抗坏血酸在缓解紫外线胁迫和促进二氢刺芒柄霉合成方面的潜力，但进一步的实验验证仍需进行以确认这些发现。未来的研究可以探索不同浓度的褪黑素和抗坏血酸对植物的影响，以及它们在不同环境条件下的适用性。此外，通过多组学整合（如基因组、蛋白质组和代谢组）进一步揭示紫外线胁迫下植物适应机制的分子基础，有助于开发更有效的生物技术策略，以提高药用植物在高紫外线环境下的生长和代谢产物产量。这种策略不仅对农业可持续发展具有重要意义，也为药用植物的药理研究提供了新的视角。