《Plant Physiology and Biochemistry》：Control of strawberry ripening through melatonin-auxin association
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褪黑素（Melatonin）已作为一种类似激素的化合物出现，并在果实中报道了多种效应。为了解褪黑素控制像草莓这样的聚合非呼吸跃变型果实（non-climacteric fruits）时序成熟的潜力，研究人员进行了采前植株内（in planta）分析，包括在发育
褪黑素（Melatonin）已作为一种类似激素的化合物出现，并在果实中报道了多种效应。为了解褪黑素控制像草莓这样的聚合非呼吸跃变型果实（non-climacteric fruits）时序成熟的潜力，研究人员进行了采前植株内（in planta）分析，包括在发育过程中瘦果（achenes）和花托（receptacle）中褪黑素、其前体以及羟基化产物2-羟基褪黑素（2-hydroxymelatonin, 2-HM）的内源组织定位。褪黑素的信号-成熟特性通过与植物激素（phytohormones）的共积累以及在果实坐果期（fruit set）、退绿期（degreening）和初始红色期（initial red）等不同发育阶段施用后的差异基因表达来阐明。研究人员的关键发现展示了草莓果实中褪黑素和2-羟基褪黑素的详细特异性时空积累模式，在果实坐果期瘦果中含量较高，而花托在成熟果实中达到峰值。外源褪黑素（10-4 M）根据施用时机表现出相反的成熟效应：即在果实坐果期施用时加速颜色发育，但在退绿期和初始红色期施用时延迟颜色变化。基因表达分析表明，外源褪黑素诱导了转录重编程（transcriptional reprogramming），尤其在具有更多差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）的瘦果中。此外，在果实退绿期施用褪黑素后24小时，下调了Gretchen Hagen 3（FaGH3.9），这与结合态吲哚-3-乙酸（conjugated indole-3-acetic acid, IAA）的减少有关。研究人员的研究结果表明，褪黑素能延迟草莓成熟，并提示这一过程部分是通过与生长素（auxin）的正向串扰（crosstalk）实现的，从而有助于更好地理解褪黑素在非呼吸跃变型果实中的作用，并将该分子定位为在育种计划或可持续果实生产系统中调节成熟的有前景靶标。
论文解读文章
**研究背景与问题**
果实成熟是受植物激素网络精细调控的复杂过程，对于保证水果品质和市场供应至关重要。传统上，果实根据成熟行为分为呼吸跃变型（climacteric）和非呼吸跃变型（non-climacteric），其中草莓作为典型的非呼吸跃变型果实，其成熟主要受脱落酸（abscisic acid, ABA）调控，但最新研究强调激素间的协同作用更为关键。褪黑素（melatonin）作为一种类似激素的化合物，已在多种果实中被报道参与成熟调控，尤其在呼吸跃变型果实中可通过与乙烯（ethylene）的串扰促进成熟。然而，在非呼吸跃变型果实中，褪黑素的作用存在矛盾（如延迟或促进成熟），且与生长素（auxin, IAA）的互作机制尚不明确。此外，草莓果实由瘦果（achenes，真果）和花托（receptacle，膨大肉质部分）构成，两者在发育和成熟中具有不同的代谢和激素动态，但以往研究多针对整果，忽略了组织特异性。因此，开展该项研究以阐明褪黑素在非呼吸跃变型果实成熟中的调控角色及其与生长素的关系，为可持续果实生产提供理论依据。
**研究内容与结论**
研究人员以草莓（*Fragaria × ananassa* cv Albion）为模型，通过采前植株内分析，系统研究了褪黑素及其前体（色氨酸、血清素）和羟基化产物2-羟基褪黑素（2-hydroxymelatonin, 2-HM）在发育过程中的时空积累模式，并在不同发育阶段（果实坐果期、退绿期、初始红色期）施用外源褪黑素（100 μM），结合生理生化、转录组及植物激素分析，揭示其对成熟的影响。结论如下：褪黑素在瘦果早期阶段含量高，花托在成熟期含量高，呈现组织和发育阶段特异性；外源褪黑素在坐果期施用时加速颜色发育，而在退绿期和初始红色期施用则延迟成熟；褪黑素的效应与内源积累及2-羟基褪黑素代谢密切相关；外源褪黑素诱导转录重编程，尤其在退绿期施用后下调生长素结合酶基因*FaGH3.9*，减少结合态IAA-天冬氨酸（IAA-Asp），提高IAA/IAA-Asp比值，从而通过调节生长素稳态延迟成熟。该研究首次揭示了褪黑素通过生长素串扰调控非呼吸跃变型果实成熟的机制。论文发表在《Plant Physiology and Biochemistry》。
**主要关键技术方法**
研究人员使用了以下关键技术方法：1）采用超高效液相色谱-电喷雾串联质谱（UHPLC/ESI-MS/MS）定量分析褪黑素、2-羟基褪黑素、色氨酸、血清素及相关植物激素（IAA、IAA-天冬氨酸、ABA、茉莉酸、水杨酸）；2）通过RNA提取和Illumina NovaSeq平台进行转录组测序（150 bp双端策略），数据存于Sequence Read Archive（SRA，编号PRJNA1406350），并使用DESeq2进行差异表达基因（DEGs）分析，结合GO和KEGG富集分析；3）利用实时定量PCR（qRT-PCR）验证*FaGH3.9*基因表达。样本来源为西班牙巴塞罗那大学温室种植的草莓品种Albion（2022年5月）。
**研究结果**
3.1. 内源褪黑素、其前体及2-羟基褪黑素呈现时序性和组织特异性积累模式
通过UHPLC/ESI-MS/MS检测，研究人员发现色氨酸、褪黑素和2-羟基褪黑素主要在花托中积累，而血清素在瘦果中更丰富。褪黑素积累呈发育阶段依赖性：瘦果中在坐果期和青果期（小绿、大绿）浓度最高，随成熟推进下降；花托中则在成熟期（全红）达到峰值，较坐果期上升6倍。褪黑素前体（色氨酸、血清素）和2-羟基褪黑素表现出类似趋势，且2-羟基褪黑素水平比褪黑素高3倍。
3.2. 外源褪黑素以阶段依赖方式调节颜色发育速率
以色度参数（色调角h*、红绿坐标a*等）为指标，研究人员发现：坐果期施用褪黑素后，果实转向红色提前约1-2天；而在退绿期和初始红色期施用，红色发育分别延迟2天和1天。但最终采收时品质参数（可溶性固形物/总酸比、pH、硬度、生物量）无显著差异。
3.3. 差异反应与内源积累及其羟基化速率相关
外源褪黑素施用后，短期内显著提高组织内褪黑素水平（瘦果中升高200倍以上）。在坐果期施用后，褪黑素随后快速下降且2-羟基褪黑素未显著积累；而在退绿期和初始红色期施用后，褪黑素持续保持在较高水平，且2-羟基褪黑素逐渐增加（瘦果中升高2-20倍），表明后期羟基化代谢增强。
3.4. 褪黑素施用诱导瘦果和花托的转录重编程
转录组分析显示，退绿期施用后24小时引起最多差异表达基因（瘦果中90个，花托中139个）。KEGG富集分析表明这些基因富集于“光合作用”和“植物激素信号转导”通路；GO分析显示花托中富集“生长素外排”和“跨膜转运蛋白活性”。研究人员发现*FaGH3.9*（编码IAA-酰胺合成酶）在瘦果和花托中均下调3.3倍，qRT-PCR证实该结果。同时，IAA-天冬氨酸水平在花托中减少15%，IAA/IAA-天冬氨酸比值升高30%，而游离IAA未显著变化。
**讨论与结论**
讨论部分强调，褪黑素在瘦果早期积累及花托成熟期积累的模式提示其具有生长促进和成熟抑制的双重作用，与生长素动态类似。外源褪黑素对颜色发育的相反效应取决于施用阶段，且与2-羟基褪黑素的代谢平衡有关。与以往研究不同，未观察到ABA或茉莉酸等激素的显著变化，表明褪黑素通过特异性地调控生长素稳态（而非广泛激素变化）来延迟成熟。*FaGH3.9*的下调导致IAA结合减少，可能改变生长素信号从而抑制成熟进程。这是首次报道褪黑素通过调节GH3表达调控非呼吸跃变型果实成熟。
研究结论部分翻译如下：果实成熟的调控构成水果生产的重要工具，尤其是颜色获得，因为它决定进入商业市场的时机。通过采用综合性方法，本研究表明褪黑素能够在植株内发育及外源施用后积极发挥成熟调节作用，延迟草莓果实的颜色获得。褪黑素效应取决于其在果实内的平衡积累和特定定位，这强化了褪黑素以环境依赖方式发挥作用的观点，解释了文献中报道的差异效应，并为生物技术应用提供了有力信息。研究还表明，外部提供褪黑素，尤其是在特定发育阶段，可能扰乱植物的代谢平衡，这一点从褪黑素及其羟基化产物在果实发育中的差异化动态以及施用后瘦果的重新编程中得到证实。最终，研究人员得出结论：褪黑素通过调节生长素相关基因（如*GH3.9*）对草莓果实发挥抑制成熟功能。综合所有证据，研究人员得出结论：褪黑素可以调节成熟动态，这部分与生长素相关基因的调控有关，并受果实生理阶段的制约。因此，果实预条件是决定褪黑素生物技术应用的关键，应在农业实践中予以考虑。此外，这表明褪黑素是生产者调节非呼吸跃变型果实（如草莓，其成熟启动需要IAA下降）成熟的前景工具，为满足及时市场需求提供了更好的成熟控制。
