褪黑素协调陆地棉昼夜节律与能量代谢和自噬的分子机制研究

本研究针对植物褪黑素(Melatonin)在昼夜节律(CR)、能量代谢(SnRK1通路)和自噬(ATG8-PE)调控中的关键作用尚未阐明的问题，通过MG-149抑制剂和褪黑素处理实验，首次揭示褪黑素节律性对棉花昼夜基因(LHY1/PRR7/TOC1)、淀粉代谢和自噬通路的调控机制，为作物抗逆性改良提供新思路。

　　

在植物与环境的动态互作中，昼夜节律（Circadian Rhythm, CR）如同精准的"生物钟"，协调着光合作用、代谢和应激响应等关键生理过程。然而，这个精密系统的调控网络仍存在重要空白——尽管褪黑素（Melatonin）在动物中已被证实是核心节律调节剂，其在植物中的时间生物学功能，特别是与能量代谢和细胞自噬的协同机制，仍是未解之谜。这一认知缺口严重限制了人们通过时序调控提升作物抗逆能力的探索。

针对这一科学瓶颈，中央棉花研究所（CICR）的研究团队以重要经济作物陆地棉（Gossypium hirsutum）为模型，开展了一项创新性研究。通过设计四组精妙处理（对照组、褪黑素抑制组、褪黑素拯救组和过量褪黑素组），研究人员在24小时周期内系统监测了褪黑素含量、核心时钟基因表达、碳水化合物动态和自噬标志物的变化规律。研究发现，正常节律性褪黑素是维持LHY1/PRR7/TOC1基因振荡、SnRK1能量信号传导和ATG8-PE介导的自噬循环的关键枢纽，而褪黑素水平异常会导致糖代谢紊乱和能量失衡。这项发表于《Plant Stress》的研究，首次建立了植物中褪黑素-生物钟-代谢的三维调控网络，为作物"生物钟育种"提供了新靶点。

研究采用多组学联用策略：通过HPLC定量褪黑素和糖类物质；运用qRT-PCR分析LHY1/PRR7/TOC1等节律基因表达；采用Western blot检测ATG8-PE脂化和KIN10蛋白水平；结合LC-MS/MS测定ABA含量；并建立ATP荧光检测体系评估细胞能量状态。

【3.1 表型观察】
短期处理未引起可见形态差异，暗示褪黑素主要调控分子层面而非快速表型响应。

【3.2 褪黑素积累与SNAT活性】
对照组褪黑素在ZT18（暗期中期）达峰，SNAT酶活性同步振荡。抑制组节律消失，而拯救组成功恢复振荡模式，证实内源性褪黑素节律是生物钟正常运行的前提条件。

【3.3 时钟基因振荡】
LHY1在ZT0（黎明）表达峰、PRR7在ZT6（正午）激活、TOC1于ZT12（黄昏）达峰的典型节律仅在对照组和拯救组存在，抑制组和过量组均出现基因表达失调，证明褪黑素剂量依赖性调控时钟基因相位。

【3.4 碳水化合物节律】
对照组淀粉在ZT12积累、夜间降解为葡萄糖的经典模式，在抑制组被破坏（淀粉异常堆积），而过量组呈现持续低淀粉/高葡萄糖状态，揭示褪黑素通过未知机制调控淀粉代谢酶时序活性。

【3.5 海藻糖代谢】
非节律性TPS1/TPP1基因在过量组出现组成型高表达，其产物T6P（Trehalose-6-phosphate）可能介导了褪黑素对SnRK1的抑制作用。

【3.6-3.7 ABA与ATP动态】
ABA在ZT12的节律峰与褪黑素水平无关，但过量褪黑素会压制ABA积累；ATP产量在对照组ZT12达峰，而抑制组和过量组均出现能量危机，暗示褪黑素-线粒体功能耦合。

【3.8-3.9 能量传感与自噬】
SnRK1/bZIP63在对照组夜间激活的模式，与ATG5/7/9表达峰及ATG8-PE脂化事件同步。抑制组因SnRK1抑制导致自噬缺陷，过量组则因T6P积累同样阻断了自噬流，证实褪黑素通过SnRK1-ATG轴调控细胞回收。

这项研究开创性地揭示了植物褪黑素作为"时序整合器"的三重功能：①通过LHY1/PRR7/TOC1维持时钟精度；②经由SnRK1-T6P耦合碳代谢与能量状态；③调控ATG8-PE介导的选择性自噬。特别值得注意的是，研究强调褪黑素的"节律性"（而非单纯存在）才是协调这些过程的关键——这为理解植物如何通过内源计时系统预测环境变化提供了新范式。在应用层面，该发现为开发基于褪黑素调控的"智能作物"提供了分子靶点，未来可通过基因编辑精确调整褪黑素合成酶（如SNAT）的节律表达，使作物在干旱、低温等胁迫下仍能维持代谢稳态。研究还警示外源褪黑素施用需严格遵循昼夜节律，否则可能适得其反破坏能量平衡。这项成果不仅填补了植物时间生物学的重要理论空白，更为应对气候变化下的可持续农业提供了创新解决方案。