《Plant Physiology and Biochemistry》：Melatonin as a Hub Signal Integrating Redox and Hormonal Crosstalk with Multi-Omics Regulation in Plant Heavy Metal Stress Tolerance
重金属污染是一个主要的环境限制因素，对植物生长、代谢和农业生产力产生负面影响。过量的金属如镉、铅和铜，主要通过诱导氧化应激、破坏营养平衡以及在多个组织水平上引起毒性来扰乱细胞功能。为了应对这些胁迫，植物激活复杂的防御系统，其中褪黑素（melatonin, MT）（N-乙酰-5-甲氧基色胺）最近已成为一种关键的调控分子。本综述强调了MT在协调植物对重金属胁迫响应中的核心作用。MT通过增强酶促和非酶促抗氧化系统来加强氧化还原稳态，从而减少活性氧（reactive oxygen species, ROS）的积累并限制对细胞组分的氧化损伤。除了其抗氧化功能外，MT还通过调节NRAMP、ZIP和HMA等转运蛋白家族来调控金属的吸收、转运和隔离，同时通过植物螯合素（phytochelatin, PC）和金属硫蛋白（metallothionein, MT）途径促进解毒。MT还在激素串扰中发挥重要作用，与脱落酸（abscisic acid, ABA）、茉莉酸（jasmonic acid, JA）和水杨酸（salicylic acid, SA）信号通路相互作用，以微调胁迫感知和下游防御反应。此外，最近的多组学研究已表明，MT可诱导广泛的转录组、蛋白质组和代谢组重编程，从而在重金属胁迫下协调基因表达、蛋白质活性和代谢途径的调整。总体而言，MT作为一个中心信号枢纽，整合氧化还原调节、激素信号传导和多组学网络，以增强植物对重金属胁迫的耐受性。这些见解加深了人们对植物胁迫生物学的理解，并为改善作物韧性和污染环境中的植物修复效率提供了有希望的策略。
1. Introduction
重金属污染已成为全球性环境挑战，对作物生产、生态系统和食品安全构成严重威胁。工业发展、城市化、采矿以及化肥和农药等化学品的过度使用，导致农业土壤中镉（cadmium, Cd）、铅（lead, Pb）、砷（arsenic, As）和汞（mercury, Hg）等有毒金属浓度升高。与有机污染物不同，金属不可降解且持续存在于环境中，易被植物吸收并在可食用组织中生物富集。重金属暴露会干扰植物的生理生化功能，主要后果之一是产生活性氧（reactive oxygen species, ROS），导致氧化应激、脂质过氧化、蛋白质降解和DNA损伤。植物虽拥有抗氧化剂、螯合剂和区室化等防御系统，但在长期或严重胁迫下这些防御往往不足。褪黑素（melatonin, MT）最初在动物中被发现，后来证实也存在于植物中，具有两亲性，可跨细胞区室扩散，既作为氧化还原活性化合物又作为信号分子。近年研究确立了MT在调节植物胁迫生理中的重要作用，其多功能特性使其成为植物防御网络的关键组分。当前研究已超越简单抗氧化剂的概念，关注其对多种胁迫相关代谢通路的调节作用，包括金属稳态、解毒、激素相互作用，以及通过多组学技术揭示的系统性重编程。
2. Literature Search Strategy
本综述系统检索了Web of Science核心合集、Scopus、PubMed、Google Scholar和ScienceDirect数据库，检索时间覆盖2005年1月至2026年5月，重点纳入近五年文献以确保反映褪黑素生物学和多组学研究的最新进展。检索使用布尔运算符组合关键词，例如“melatonin”与“heavy metal stress”、“plants”、“cadmium”、“lead”、“copper”、“phytoremediation”、“redox homeostasis”、“antioxidant defense”、“hormone signaling”、“transcriptomics”、“proteomics”、“metabolomics”、“multi-omics”等。优先纳入同行评审期刊上发表的原创研究论文和高质量综述，排除与植物无关、缺乏实验证据、会议摘要、社论、重复报道及非同行评审文献。经筛选和去重后，最终对约117篇文章进行批判性评估和综合，为当前领域提供全面且均衡的概述。
3. Biosynthesis, Metabolism, and Stress-Induced Regulation of MT
植物中褪黑素（MT）的生物合成起始于色氨酸，涉及一系列酶促反应，包括色氨酸脱羧酶（tryptophan decarboxylase, TDC）、色胺5-羟化酶（tryptamine 5-hydroxylase, T5H）、血清素N-乙酰转移酶（serotonin N-acetyltransferase, SNAT）和N-乙酰血清素甲基转移酶（N-acetylserotonin methyltransferase, ASMT）。与动物中受组织类型限制的合成不同，植物MT合成分布于叶绿体、线粒体和细胞质等多个区室，这与其作为ROS产生位点的抗氧化功能密切相关。重金属胁迫会诱导MT生物合成基因的表达，增加细胞内MT浓度。MT还参与正反馈调节：重金属引起的氧化应激促进MT合成，而MT通过直接和间接机制调节ROS水平。转录组研究表明，MT生物合成基因与WRKY、MYB、NAC等胁迫相关转录因子的表达协调上调。MT的代谢产生2-羟基褪黑素、环状3-羟基褪黑素和N1-乙酰-N2-甲酰基-5-甲氧基犬尿氨酸（AFMK）等具有抗氧化活性的代谢物，形成“褪黑素抗氧化系统”。此外，MT影响钙（Ca
2+）稳态、一氧化氮（nitric oxide, NO）信号和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）通路，表明其作为代谢产物和信号枢纽的多层调节特性。
4. Mechanisms of Heavy Metal Toxicity and Plant Adaptive Responses
重金属的毒性作用涉及多个相互关联的现象，共同损害细胞稳态和代谢。重金属胁迫的早期响应之一是叶绿体和线粒体电子传递链紊乱导致ROS过量产生。氧化还原活性金属如铜（Cu）和铁（Fe）通过Fenton和Haber-Weiss反应促进ROS生成，而非氧化还原金属如Cd和Hg则通过抑制抗氧化酶和干扰代谢反应增加ROS水平。ROS导致脂质过氧化、蛋白质变性和DNA损伤。此外，重金属干扰铁（Fe）、锌（Zn）、钙（Ca）等营养元素的吸收和转运，并与蛋白质巯基结合改变其构象和功能，最终抑制光合作用、呼吸和能量代谢。植物已发展出生化、细胞和分子水平的适应机制，主要包括酶促抗氧化系统（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等）、非酶促抗氧化剂（谷胱甘肽、抗坏血酸）、螯合剂（植物螯合素和金属硫蛋白）以及细胞壁结合和液泡区室化等结构适应。然而，在长期或高强度金属胁迫下，这些系统的效率往往不足，且各防御层常相对独立运作，降低整体适应效率，因此需要MT这类调节因子整合多重保护机制。
5. MT-Mediated Redox Homeostasis and Oxidative Stress Signaling
重金属毒性的关键方面是破坏细胞氧化还原平衡，MT是氧化还原稳态的重要调节因子。MT具有两亲性，可穿透生物膜并富集于ROS产生的亚细胞位点（叶绿体、线粒体和细胞核），直接清除超氧阴离子自由基（O
2-）、过氧化氢（H
2O
2）、羟基自由基（•OH）和活性氮（reactive nitrogen species, RNS）。MT的代谢产物如环状3-羟基褪黑素和AFMK也具有抗氧化性，通过级联反应放大其清除能力。MT还能增强植物内源抗氧化系统，提高超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、过氧化氢酶（catalase, CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase, APX）和过氧化物酶（peroxidase, POD）等酶的表达和活性，并维持还原型谷胱甘肽（GSH）和抗坏血酸（AsA）的高水平，促进抗坏血酸-谷胱甘肽循环。此外，MT是氧化还原信号的重要调节者，通过调节ROS水平维持有效的信号传递，避免细胞损伤，并参与MAPK级联和钙介导的信号通路。MT还与NO和硫化氢（H
2S）相互作用，形成互联的氧化还原信号网络，同时执行保护功能和信号整合功能。
6. Regulation of Metal Transport, Chelation, and Compartmentalization
植物对重金属的耐受依赖于对金属吸收、转运、螯合和区室化的协调调控。金属吸收主要由具有广泛底物特异性的膜转运蛋白介导，包括天然抗性相关巨噬细胞蛋白（Natural Resistance-Associated Macrophage Protein, NRAMP）、ZRT/IRT样蛋白（ZRT/IRT-like Protein, ZIP）和铁调节转运蛋白（Iron-Regulated Transporter, IRT）家族。MT并非普遍抑制或激活整个转运蛋白家族，而是具有转运蛋白、物种和胁迫特异性。例如，砷胁迫下外源MT调节OsPT2、OsPT8、OsLsi1和OsNramp1的表达，减少水稻对砷的吸收和转运。细胞内解毒和区室化由重金属ATP酶（Heavy Metal ATPase, HMA）、ATP结合盒（ATP-Binding Cassette, ABC）转运蛋白和阳离子扩散促进因子/金属耐受蛋白（Cation Diffusion Facilitator/Metal Tolerance Protein, CDF/MTP）家族介导。直接实验证据表明，MT在黄瓜铜胁迫下调节CsHMA5，改善铜的区室化。螯合作用由植物螯合素（phytochelatin, PC）和金属硫蛋白（metallothionein, MT）介导，MT通过增强谷胱甘肽（glutathione, GSH）生物合成促进植螯素合成，如拟南芥中GSH1基因对MT介导的镉耐受不可或缺。金属-螯合复合物随后被区室化至液泡，降低细胞质游离金属浓度。细胞壁作为细胞外屏障，可通过果胶、半纤维素和木质素等多糖结合金属离子，MT可促进细胞壁多糖生物合成，增强铬等金属的固定。此外，MT通过维持氧化还原平衡和增强抗氧化防御，间接保护转运蛋白功能、支持谷胱甘肽代谢和金属隔离，从而整合多种防御机制。
7. Hormonal Crosstalk and Integrated Signaling Networks
植物对重金属胁迫的适应由复杂的植物激素信号网络调控。MT与脱落酸（abscisic acid, ABA）、茉莉酸（jasmonic acid, JA）、水杨酸（salicylic acid, SA）、生长素、乙烯（ethylene, ET）、油菜素甾醇（brassinosteroids, BR）和赤霉素（gibberellins, GA）相互作用，平衡防御与生长。MT与ABA的串扰在重金属胁迫下研究较深入，外源MT可调节ABA生物合成和信号传导，避免过量ABA抑制生长的同时维持有效应激适应。MT与JA的相互作用较复杂且依赖胁迫类型，研究表明MT可增强或抑制JA信号，反映其调节强度和时长的精细功能。MT与SA协同增强抗氧化防御。MT与生长素相互作用，因MT与吲哚化合物结构相似，可影响生长素合成、运输和信号传导，改善根系结构。MT与ET、BR和GA的相互作用多来自干旱、盐胁迫等研究，在重金属胁迫下的直接证据有限，需进一步验证。MT不是简单激活或抑制单一激素通路，而是通过动态调整激素平衡，整合生长、抗氧化、金属解毒和代谢适应，优化胁迫耐受并降低生理代价。未来需整合遗传学、基因组编辑、单细胞转录组和多组学方法，阐明其时空动态。
8. Multi-Omics Perspectives: Deciphering MT-Mediated Responses to Heavy Metal Stress
转录组学研究显示，MT处理诱导广泛的转录重编程，影响抗氧化防御、金属转运、硫代谢、激素信号和胁迫相关转录因子（如WRKY、MYB、NAC、bZIP等）的表达。但许多转运蛋白和转录因子的证据主要来自转录水平，缺乏直接功能验证。蛋白质组学研究表明，MT处理改变抗氧化酶、谷胱甘肽S-转移酶、硫氧还蛋白、热休克蛋白及光合和呼吸相关蛋白的丰度。代谢组学分析显示，MT促进GSH、AsA、脯氨酸、可溶性糖、氨基酸、有机酸、酚类和类黄酮等保护性代谢物积累。然而，多数现有研究依赖单一组学平台，真正整合多组学的研究仍有限。系统生物学方法整合基因共表达、蛋白质互作网络和代谢通路重建，但多数网络模型基于转录组和通路富集分析，尚未完全验证。新兴调控机制如表观遗传修饰、小RNA和蛋白质磷酸化在重金属胁迫下的直接证据尚不充分。未来需结合转录组、蛋白质组、代谢组、离子组和表型组的整合分析，以及CRISPR基因编辑和单细胞技术，建立因果调控网络。
9. Applications in Sustainable Agriculture and Phytoremediation
MT作为一种有前景的生物刺激素，在缓解作物重金属胁迫方面具有潜力。外源MT可通过种子引发、叶面喷施或土壤改良施用，显著提高重金属胁迫下植物的生长、产量和耐受性。种子引发可提高萌发率、幼苗活力和重金属耐受性；叶面喷施可维持光合效率、促进生物量积累并保护生殖发育。MT还通过调节金属转运蛋白、促进螯合和液泡区室化，减少有毒金属在可食用部分的积累，提高食品安全。在植物修复方面，MT增强植物对重金属的耐受性，使其能在高污染环境中生长，提高生物量和金属积累能力，从而提高植物提取或植物稳定化效率。MT还可与生物肥料、微生物菌剂和有机改良剂结合，形成整体管理策略。但田间应用的施用方法、剂量、时机和长期环境影响仍需优化和验证。
10. Future Perspectives and Research Directions
未来研究需优先阐明MT介导胁迫响应的上游信号机制，包括候选受体CAND2/PMTR1的争议性作用，以及通过遗传学、生物化学和细胞生物学方法验证其他信号组分。另一个主要挑战是整合多组学研究不足，需在同一实验框架内结合转录组、蛋白质组、代谢组、离子组和表型组，并利用网络分析、机器学习和人工智能识别关键调控模块。表观遗传和转录后调控机制在重金属胁迫下的直接证据有限，需区分已验证机制和推测模型。应用方面需优化不同作物和环境条件下的MT施用策略，考虑施用方法、浓度、时间、田间持久性及与土壤理化性质和根际微生物组的相互作用。未来还应根据修复目标评估MT辅助修复策略，如用于粮食作物需减少可食用组织中的金属积累，植物稳定化需将金属保留在根际，植物提取需提高金属向地上部的转运和回收效率。
11. Conclusion
MT通过协同调节抗氧化防御、金属解毒、植物激素信号和多条分子调控通路，增强植物对重金属胁迫的耐受性。现有证据表明MT有助于维持细胞氧化还原稳态、调节金属吸收和隔离、激活胁迫响应代谢过程，从而减轻金属诱导的氧化损伤并改善植物生长表现。转录组、蛋白质组、代谢组等多组学技术扩展了对MT介导响应的理解，但多数证据来自单一组学，整合多组学研究仍有限。表观遗传调控、蛋白质翻译后修饰和胁迫记忆等机制需在重金属胁迫下进一步验证。应用层面，MT是改善作物韧性和管理金属污染环境的有效工具，其实施需考虑农业生产、植物稳定化和植物提取的不同目标。未来整合功能基因组学、先进多组学技术、精准表型分析和计算建模，将阐明MT作用的分子基础，促进基于MT的策略在提高作物生产力、食品安全和环境可持续性方面的应用。
