外源褪黑素调控植物非生物胁迫抗性的整合机制：从氧化还原稳态到多胁迫信号网络

《Plant Stress》：Advances in the regulation of exogenous melatonin on plant resistance to abiotic stress

　　

褪黑素（melatonin）是一种在植物中具有多重功能的多效性分子，在调控生长发育中发挥关键作用。近年来，植物中褪黑素的生物合成途径及其多方面生理作用已有充分记录。研究表明，褪黑素通过缓解非生物胁迫（abiotic stress）对生长发育的不利影响来增强植物抗逆性。本文综述综合了近年来关于褪黑素在非生物胁迫下调控植物生长发育的认识进展，并系统分析了外源褪黑素应用介导的形态生理调节、生长调控机制，以及氧化还原稳态（redox homeostasis）和信号转导（signaling transduction）。结合参考文献表明，褪黑素应作为一种新型植物保护剂（phytoprotectant），用于增强非生物胁迫抗性并提高作物生产力。本文系统阐明了褪黑素的生物合成途径、信号转导机制和多胁迫调控网络，为其田间应用和抗逆作物分子育种提供了关键理论参考。

气候变化使极端温度、盐碱、重金属污染、渍水、干旱及多重胁迫共发生更加普遍。这些胁迫通过扰乱光合作用、养分吸收和内部平衡，引起氧化损伤、离子毒害和生殖问题；复合胁迫常比单一胁迫更严重，导致主要作物产量和营养品质下降，威胁全球粮食安全。因此，研究人员需要整合外源褪黑素调控植物全生命周期生长发育与非生物胁迫响应的机制。以往综述多集中于根等特定器官、种子萌发等发育阶段，或生物合成、激素串扰、一氧化氮信号、多组学、种子引发等单一机制维度，较少将分子、生理、器官和系统水平响应连接为统一框架，导致对褪黑素介导的胁迫调控认识碎片化。该文即针对这一空白，聚焦氧化还原稳态、渗透调节、光合保护、激素串扰、转录和表观遗传调控、复合胁迫、多组学及信号分子互作，概括不同非生物胁迫的共享与特有通路，并提出未来方向。

关键技术方法概述：该文为综述性研究，未涉及原始实验样本队列或临床队列；作者通过系统整合植物褪黑素生物合成、生长发育、非生物胁迫响应、多组学及田间应用相关文献，比较不同胁迫类型和物种中的共享与特异性机制，归纳激素/信号分子互作及多组学证据，并构建外源褪黑素保护工作模型。

2. 植物中褪黑素的生物合成（Biosynthesis of melatonin in plants）
通过动物系统研究、植物同位素示踪、酶学和遗传研究表明，植物褪黑素以色氨酸为前体，经四步酶促反应，涉及TPH、TDC、T5H、SNAT、ASMT和COMT等至少六种酶，5-羟色胺为关键中间体。Murch等以¹⁴C标记色氨酸在Hypericum perforatum幼苗中首次确认植物褪黑素合成。水稻中T5H催化的色胺羟化是重要步骤，T5H表达改变可影响褪黑素前体丰度。SNAT受多种非生物胁迫调控，胁迫诱导其高表达可增加内源褪黑素并减轻氧化损伤；耐旱小麦中SNAT表达和褪黑素高于敏感基因型，CGA1–SNAT模块与细胞分裂素信号和耐旱性相关。

3. 褪黑素在植物生长发育中的调节作用（The regulatory role of melatonin in plant growth and development）
3.1 种子萌发和早期幼苗建成（Seed germination and early seedling establishment）
综合外源褪黑素处理、转录组和钙信号研究，褪黑素可拮抗ABA促进甜瓜和拟南芥种子萌发，Ca²⁺参与该过程；褪黑素提高总Ca²⁺含量，并与钙共同调节ROS代谢、降低H₂O₂，促进萌发；低浓度褪黑素促进甜叶菊和Suaeda corniculata萌发及早期根生长。

3.2 根系构型（Root system architecture）
通过多种作物胁迫处理研究表明，褪黑素增强根伸长、侧根和不定根形成。镉胁迫下棉花经褪黑素预处理后根长、根体积、密度、直径、表面积和根尖数增加，N、P、K吸收增强；水稻中褪黑素改善根生长和生物量，抑制总Na⁺积累并促进K⁺吸收；褪黑素诱导初生根伸长依赖IAA，低浓度IAA增加内源褪黑素，阻断IAA合成则抑制褪黑素介导的主根生长。

3.3 开花时间和生殖发育（Flowering time and reproductive development）
综合遗传和生理研究表明，褪黑素调节花发育并延迟开花。SNAT维持褪黑素水平，其敲除突变体褪黑素较野生型拟南芥低50%，过表达羊SNAT的转基因水稻延迟开花；褪黑素与独脚金内酯和NO互作延迟拟南芥开花。梨中高温下低浓度褪黑素延迟花开放，高浓度促进；低温下各浓度处理通过MAPK信号和植物激素途径加速花开放，说明其调控并非简单剂量依赖。

3.4 延缓衰老和改善采后品质（Delaying senescence and improving postharvest quality）
通过采后保鲜、基因表达和生理研究，褪黑素抑制衰老相关基因和叶绿素降解，延缓小白菜、西兰花等衰老。其作用与苯丙烷生物合成、脂质代谢、植物激素信号转导和钙信号有关；秋葵中下调ABA代谢基因，西兰花中降低叶绿素分解基因表达、减少H₂O₂和O₂^•?产生、维持线粒体ROS稳态并抑制程序性细胞死亡。褪黑素还增强病害抗性和干旱耐性，提高花青素积累，保护叶绿体并抑制ROS。

4. 外源褪黑素介导的植物非生物胁迫耐性调节（Exogenous melatonin-mediated regulation of plant tolerance to abiotic stresses）
全球年均地表温度自1966年以来总体上升，近二十年尤为显著；热、冷、盐碱、渍水、干旱、重金属及复合胁迫均威胁作物生产。外源褪黑素通过共同和胁迫特异机制抵消这些负面影响。工作模型显示，褪黑素同时增强抗氧化防御、渗透调节和光合保护，激素信号作为上游协调者。

4.1 氧化还原稳态和抗氧化防御（Redox homeostasis and antioxidant defense）
通过热、冷、渍水、干旱、盐碱和重金属等胁迫研究，褪黑素持续恢复氧化还原稳态。它上调抗氧化基因和酶活性，如SOD、POD、CAT、APX、GR，降低脂质过氧化和膜损伤；增强AsA–GSH循环，提高AsA和GSH库，减少H₂O₂、O₂^•?和MDA积累；促进花青素和多胺合成，稳定膜并缓解胁迫损伤。

4.2 渗透调节和水分关系（Osmotic adjustment and water relations）
综合盐碱、干旱和渍水研究，褪黑素促进可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸积累，维持渗透平衡和水分含量。盐胁迫下增强SOS途径，SOS1排出Na⁺，并上调HAK等K⁺转运体，维持K⁺/Na⁺；重金属胁迫下限制毒害离子进入并促进外排，水稻中增加Cd固定于根细胞壁半纤维素，下调OsNRAMP1、OsNRAMP5、OsCd1、OsIRT1，上调OsCAL1和OsHMA3；还能调节气孔和水通道蛋白，改善根水力导度。

4.3 光合作用和叶绿体功能保护（Protection of photosynthesis and chloroplast function）
通过热、冷、盐碱、渍水、干旱和重金属研究，褪黑素保护光合机构。它提高PSII、PSI和Rubisco活性，促进ATP合成，改善Pn、gs、Ci和Tr，上调叶绿素合成基因，减缓叶绿素降解，维持叶绿体结构。渍水下下调BoNYC1、BoNOL、BoCLH、BoPPH、BoPAO、BoRCCR、BoSGR1等叶绿素分解基因；重金属下提高铁氧还蛋白水平并增强AsA–GSH循环。

4.4 激素和信号网络整合（Integration of hormonal and signaling networks）
综合激素和信号分子研究，褪黑素与IAA、ABA、GA、JA、ET和细胞分裂素协同或拮抗，协调生长与胁迫响应。种子萌发中褪黑素拮抗ABA，Ca²⁺连接两条激素通路；盐碱下提高内源ABA和IAA；根系中与IAA互作；SNAT与CGA1协同调节细胞分裂素并增强耐旱。褪黑素还与Ca²⁺、H₂O₂、NO、独脚金内酯和多胺互作，形成多层调控网络。

4.5 复合非生物胁迫（Combined abiotic stresses）
近期证据提示，复合胁迫下褪黑素的抗氧化防御常一致增强，而光合保护更可变且仅部分维持；响应强物种、剂量、胁迫和背景依赖。高等植物干旱加高温中，褪黑素增强ROS清除酶和抗氧化基因；单细胞藻Chlamydomonas reinhardtii四重胁迫中，褪黑素选择性增强CAT、POD和抗氧化基因，对光合支持有限。草莓中单独干旱或盐胁迫有效，组合时仅边际存活支持；小麦OMT1与抗氧化能力、脯氨酸和氧化还原平衡相关。复合干旱加高温下，褪黑素可独立于ABA调节气孔导度，依靠ROS清除调整气体交换；火龙果盐加重金属下缓解MAPK信号、苯丙烷生物合成、激素转导和光合途径的转录失调。多组学显示其重编程转录组、蛋白质组和代谢组核心模块。

4.6 褪黑素作用的共享和胁迫特异性机制（Shared and stress-specific mechanisms of melatonin action）
共享机制包括恢复氧化还原稳态、渗透调节、保护光合机构、调节激素和信号网络。胁迫特异性机制包括：热胁迫涉及HSF–HSP蛋白折叠伴侣系统；冷胁迫涉及CBF/DREB–COR转录级联；重金属胁迫涉及金属转运基因和植物螯合素；盐碱胁迫涉及质子泵和离子区隔；渍水胁迫涉及多胺、有氧呼吸和氮吸收维持。

4.7 多组学方法的见解（Insights from omics approaches）
多组学包括基因组、转录组、蛋白组、代谢组、miRNA组学、表观组、离子组、表型组和微生物组，但证据深度不一。基因组、转录组和代谢组证据较充分：褪黑素合成基因TDC、T5H、SNAT、ASMT、COMT受盐、旱、热、冷诱导；褪黑素激活WRKY、AP2/ERF、MYB、NAC、bZIP等转录因子，调节ABC转运和MAPK信号，并促进黄酮、生物碱、氨基酸和有机酸积累。miRNA组学、表观组、离子组和微生物组仍属新兴领域，如miR159-5p、miR858、DNA去甲基化、K⁺/Na⁺和Ca²⁺/Na⁺稳定及根际微生物重塑。多数研究仍在控制环境单一胁迫下完成，田间转化未充分验证。

讨论部分强调，褪黑素可视为分层且背景敏感的胁迫整合器，优先增强抗氧化防御、条件性维持光合，并依赖胁迫组合选择经典或替代信号通路；但证据多来自有限物种、剂量和胁迫组合，框架应视为暂定。OMT1和氧化还原–ABA独立气孔模块等提供可测试靶点。

研究结论部分翻译如下：大量研究表明，适宜浓度的褪黑素不仅维持植物正常生理功能，还有效缓解低温、高温、干旱和盐碱等非生物胁迫诱导的氧化损伤，从而保护植物免受不利环境条件影响。近年来植物褪黑素研究显著增加，在阐明生物合成途径和多样生理功能方面取得可观进展。然而，其效应高度依赖背景，在褪黑素可靠用于作物生产前，若干关键问题必须解决。第一，尽管褪黑素具有强抗氧化活性并影响其他植物激素的生物合成和信号，但褪黑素-植物激素串扰调控植物生长和缓解胁迫损伤的分子机制仍未完全阐明，值得进一步研究。第二，植物中褪黑素复杂信号转导机制及其相关受体的运输模式仍不清楚。虽然拟南芥中报道了推定褪黑素受体，但其介导的下游途径未完全阐明。因此，鉴定褪黑素受体的亚细胞定位及其与其他受体或信号分子的互作是进一步研究的关键领域。最后，未来工作应从证明功效转向界定褪黑素有效、安全和经济可行的条件。这包括建立跨物种、组织、发育阶段的剂量–反应关系和最佳浓度窗口，因为褪黑素效应常呈剂量依赖且在过高浓度下可能抑制；评估耐胁迫与敏感品系中的基因型依赖响应，以鉴定最受益的种质；在复合和田间相关胁迫情景而非单一胁迫下测试褪黑素；比较种子引发、叶面喷施、根灌、种子包衣和控释制剂等递送方式的功效、成本和可扩展性。需要长期、多地点和多年度田间试验，以验证真实栽培条件下对产量、品质和农艺性能的影响。同时，上述组学衍生靶点需要因果验证，并通过分子标记开发、等位基因挖掘、基因组编辑以及标记辅助或基因组选择转化为育种实践，使分子认识成为改善作物胁迫韧性的实用工具。