張融雪, 孫玥, 蘇京平, 王勝軍, 佟卉, 劉燕清, 孫林靜

天津市農(nóng)作物研究所，天津市農(nóng)作物遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384

1 植物中的褪黑素

褪黑素在動(dòng)物中被發(fā)現(xiàn)很長時(shí)間后，研究者才在植物中開展了其鑒定分離研究，1995年在24種植物中都檢測(cè)到了褪黑素[2]。植物中并沒有松果體，但是也能夠合成褪黑素，所以褪黑素合成途徑是一個(gè)研究熱點(diǎn)。參考動(dòng)物中褪黑素合成途徑，研究者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了植物褪黑素合成的關(guān)鍵組分，植物褪黑素合成途徑逐漸明晰[3]。研究者還克隆了首個(gè)褪黑素植物受體，為褪黑素功能研究提供了有力支撐[4]。

1.1 植物褪黑素內(nèi)源含量

褪黑素存在于高等植物中的許多器官，如根、莖、葉、花、果實(shí)和種子，通常每克組織濃度含量范圍從pg到μg不等。農(nóng)作物如禾本科的水稻、大麥、玉米褪黑素含量較高，一些藥用植物如貫葉連翹、白曼陀羅等,許多水果如草莓、獼猴桃、菠蘿、香蕉、葡萄等也都含有褪黑素。

褪黑素常用測(cè)定方法有液相色譜、放射免疫分析、超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、氣象色譜-質(zhì)譜連用、高效液相色譜、酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定[5]等方法。有研究報(bào)道水稻不同品種種子的褪黑素含量在20～200 ng·g-1，褪黑素含量差異為有色種皮大米高于白色種皮大米，糙米含量高于精米含量[6]。利用液相色譜測(cè)得大麥種子中褪黑素含量約為82.3 ng·g-1，小麥種子中含量為124.7 ng·g-1。水果中獼猴桃含量為0.02 ng·g-1，蘋果中含量為0.16 ng·g-1，綠茶中褪黑素含量較高，可達(dá)2.12 μg·g-1。褪黑素含量不僅在不同物種間不相同，而且同一物種的不同品種間也不相同，同時(shí)，褪黑素含量在不同環(huán)境條件下特別是逆境中和不同植物發(fā)育階段也是不同的[7]。

1.2 植物褪黑素合成途徑

當(dāng)褪黑素在植物中被發(fā)現(xiàn)后，其合成途徑一直是研究的熱點(diǎn)。褪黑素合成途徑在動(dòng)物中研究的較為清楚，色氨酸作為前體物質(zhì)，經(jīng)過4步酶促反應(yīng)最后生成褪黑素。第一步是色氨酸經(jīng)色氨酸羥化酶(tryptophan 5-hydroxylase, TPH)作用生成五羥色胺酸；再由芳香族氨基酸脫羧酶(aromatic-amino acid decarboxylase，AADC)作用生成血清素；然后在N-乙?；D(zhuǎn)移酶(aralkylamine N-acetyltransferase, AANAT),又稱為血清素N-乙酰基轉(zhuǎn)移酶(serotonin N-acetyltransferase, SNAT)催化生成N-乙酰血清素；最后在N-乙酰血清素O-甲基轉(zhuǎn)移酶(N-acetylserotonin O-methyltransferase, ASMT)，也叫做羥基吲哚O-甲基轉(zhuǎn)移酶(hydroxyindole O-methyltransferase, HIOMT)作用下生成褪黑素。植物中褪黑素合成途徑與此大體類似，但具體過程仍有差異，植物中色氨酸首先經(jīng)過色氨酸氧化酶(tryptophan decarboxylase, TDC)生成色胺，第二步由色胺羥化酶(tryptamine 5-hydroxylase, T5H)作用生成血清素，接下來的合成途徑與動(dòng)物褪黑素合成步驟相同[3]。

植物中褪黑素合成相關(guān)基因已經(jīng)被陸續(xù)鑒定，水稻褪黑素合成途徑研究進(jìn)展較快，褪黑素合成相關(guān)基因已經(jīng)被全部克隆。Kang等[8]從水稻中克隆了TDC1/AK069031和TDC2/AK103253，在水稻中過表達(dá)TDC1和TDC2基因提高了葉片和種子的血清素含量。Byeon等[9]從水稻中克隆到TDC3/NM_001067504，在水稻中過量表達(dá)TDC3不僅增加了葉片和種子褪黑素含量，還增加了5-羥色氨酸、色胺、血清素和N-乙酰血清素等褪黑素合成中間體含量。Fujiwara等[10]通過圖位克隆從累積血清素合成前體色胺的水稻sekiguchilesion突變體中克隆到了T5H。體外重組表達(dá)該蛋白具有色胺5羥化酶活性，能催化色胺轉(zhuǎn)變成血清素。Kang等[11]從水稻中克隆了催化褪黑素合成第三步的血清素乙酰轉(zhuǎn)移酶SNAT。通過分析SNAT在植物中的同功能酶乙酰轉(zhuǎn)移酶超家族(GCN5-related N-acetyltransferase superfamily gene, GNAT),結(jié)合原核表達(dá)蛋白酶活測(cè)定。確定了GNAT5是植物SNAT，能夠快速催化血清素生成N-乙酰血清素。水稻褪黑素合成最后一步的ASMT1也由Kang等首先克隆得到。褪黑素是由O-甲基轉(zhuǎn)移酶(O-methyltransferase, OMT)催化N-乙酰血清素的羥基變?yōu)檠跫谆笊?，研究者分析了水稻基因組中所有的OMT，發(fā)現(xiàn)MT15具有ASMT酶活性能夠催化生成褪黑素[12]。隨后又有兩個(gè)ASMT基因被克隆得到，分別是ASMT2和ASMT3，研究表明兩者均具有O-甲基轉(zhuǎn)移酶活性?；虮磉_(dá)分析結(jié)果顯示，ASMT1和ASMT2在莖和花表達(dá)量較高，而ASMT3在整株中表達(dá)量都很低，這3個(gè)基因表達(dá)都受非生物脅迫和茉莉酸誘導(dǎo)[13]。

1.3 植物褪黑素信號(hào)受體

2018年Wei等[4]在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)植物褪黑素受體候選G蛋白偶聯(lián)受體2(candidate G-protein coupled receptor 2, CAND2)，主要證據(jù)是：CAND2是質(zhì)膜定位、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與受體類似、能與G蛋白α亞基相互作用、高度特異結(jié)合褪黑素、cand2突變體對(duì)褪黑素誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉不敏感。褪黑素與CAND2結(jié)合觸發(fā)G蛋白βγ亞基與α亞基解離，從而激活NADPH氧化酶依賴的H2O2的產(chǎn)生，增強(qiáng)Ca2+內(nèi)流和促進(jìn)K+外流，最終導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。相較于傳統(tǒng)植物激素，褪黑素作為植物激素的研究工作還較少，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖1 植物褪黑素合成途徑[3]

2 植物褪黑素的生理功能

褪黑素作為吲哚胺類物質(zhì)，本身具有強(qiáng)還原力，能夠清除植物體內(nèi)產(chǎn)生的超氧陰離子、過氧化氫等自由基，從而發(fā)揮抗氧化作用。褪黑素和吲哚乙酸(indole-3-acetic acid, IAA)生物合成的共同前體是色氨酸[14],兩者結(jié)構(gòu)十分相似，二者在植物體內(nèi)也有部分相似的生理功能[15]。研究表明褪黑素不僅能作為信號(hào)分子調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育，還能作為信號(hào)分子和抗氧化劑參與植物非生物脅迫和生物脅迫應(yīng)答[16]。

2.1 褪黑素調(diào)控植物生長發(fā)育

褪黑素能夠促進(jìn)細(xì)胞膨大，Hernandez-Ruiz證明褪黑素能夠促進(jìn)離體的白化羽扇豆下胚軸膨大生長，褪黑素與IAA在下胚軸的濃度分布類似，頂端最多，中間其次，基部最少；二者作用方式也類似，都是通過增加細(xì)胞膨大而促進(jìn)生長[17]。

在信息化時(shí)代，行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，企業(yè)的財(cái)務(wù)狀況以及客戶的需求情況都隱藏于數(shù)據(jù)之中。通過以大量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析就可以準(zhǔn)確的掌握行業(yè)的發(fā)展信心、企業(yè)的財(cái)務(wù)信心以及客戶的需求信息使企業(yè)在市場(chǎng)競爭中立于不敗之地。同樣，將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)有于企業(yè)的財(cái)務(wù)內(nèi)控管理當(dāng)中就能夠更加準(zhǔn)確地找出財(cái)務(wù)問題和危機(jī)，使企業(yè)的財(cái)務(wù)內(nèi)控管理水平得到提高。

褪黑素能促進(jìn)萌發(fā)后種子根的生長，在過表達(dá)綿羊SNAT的水稻中，褪黑素含量增加了，與野生型相比，轉(zhuǎn)基因水稻萌發(fā)后種子根數(shù)目沒有變化但是根長較長，并且生物量也顯著增加。在持續(xù)光照條件下，低濃度0.5～1.0 μmol·L-1褪黑素處理促進(jìn)野生型水稻種子根伸長[18]。褪黑素通過調(diào)控糖代謝途徑調(diào)節(jié)植物生長，外源添加褪黑素對(duì)玉米幼苗具有促進(jìn)和抑制作用。最初研究表明褪黑素含量與蔗糖合成和水解相關(guān)基因表達(dá)、酶活力和蔗糖代謝呈正相關(guān)。進(jìn)一步研究結(jié)果顯示，外源添加低濃度褪黑素(10 μmol·L-1)能提高光合速率和己糖激酶活力，上調(diào)光合相關(guān)基因及己糖激酶相關(guān)基因表達(dá)，促進(jìn)玉米生長，促進(jìn)蔗糖代謝、光合作用和蔗糖韌皮部裝載。而高濃度褪黑素(100 μmol·L-1)加速蔗糖、己糖和淀粉積累，抑制光合作用和蔗糖韌皮部裝載[19]。

褪黑素還會(huì)影響開花時(shí)間，擬南芥褪黑素合成基因SNAT2在花中大量表達(dá)，SNAT2失活突變體中赤霉素合成途徑相關(guān)基因貝殼杉烯合酶基因(ent-kaurenesynthase,KS)和開花控制基因(FLOWERINGLOCUST,FT)表達(dá)量下調(diào)，導(dǎo)致了晚花表型[20]。

上述研究表明，褪黑素可以作為小分子活性物質(zhì)調(diào)控植物的細(xì)胞膨大、根生長、糖類物質(zhì)代謝等生理過程，不同濃度作用不同，褪黑素是作為獨(dú)立的信號(hào)分子調(diào)控還是僅僅作為IAA的類似物發(fā)揮功能還有待進(jìn)一步研究。

2.2 褪黑素增強(qiáng)植物非生物脅迫抗性

2.2.1干旱脅迫干旱脅迫是一種常見的非生物脅迫，氧化脅迫被認(rèn)為是非生物脅迫對(duì)植物的主要傷害之一，干旱脅迫造成膜系統(tǒng)的傷害主要是由細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除的不平衡引起的[21]。褪黑素是內(nèi)源性的抗氧化劑，外施褪黑素可提高植物過氧化物酶、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等抗氧化物質(zhì)的含量和活性[22]。外施褪黑素能夠顯著降低干旱脅迫下蘋果葉片葉綠素的降解，提高葉片光合效率，緩解氧化脅迫造成的傷害，從而有效延遲葉片的衰老[23]。外源添加褪黑素能夠有效緩解由聚乙二醇造成的滲透脅迫對(duì)黃瓜種子萌發(fā)的抑制作用，并能促進(jìn)生根，增強(qiáng)根系活力，提高根冠比[24]。增加植物內(nèi)源褪黑素含量也可增強(qiáng)植物抗旱性，將蘋果ASMT在擬南芥中過表達(dá)，轉(zhuǎn)基因植株褪黑素含量較野生型增加了2～4倍；在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)基因植株的ROS積累量顯著少于野生型，存活率較野生型高[25]。外源添加褪黑素能增強(qiáng)蘋果幼苗的保水性、減少離子滲漏和穩(wěn)定葉綠素含量，從而提高蘋果耐旱性。褪黑素處理能下調(diào)ABA合成基因9順式環(huán)氧類胡蘿卜素二加氧酶3(nine-cis-epoxycarotenoid dioxygenase 3, NCED3)，上調(diào)ABA代謝基因細(xì)胞色P450家族707亞家族A多肽1(cytochrome P450 family 707 subfamily A polypeptide 1, CYP707A1)和CYP707A2，降低ABA含量；還上調(diào)了褪黑素合成相關(guān)基因的表達(dá)，增加內(nèi)源褪黑素合成，通過改善氣孔功能和清除過氧化氫來提高蘋果耐旱性[26]。

2.2.2鹽脅迫鹽脅迫抑制植物的生長和發(fā)育，過量鹽離子對(duì)植物的傷害主要包括滲透脅迫、離子毒害和氧化脅迫。外源添加1 μmol·L-1褪黑素能夠緩解鹽脅迫對(duì)蘋果生長的抑制作用，延緩葉綠素降解，減少氧化損傷；褪黑素處理還誘導(dǎo)了鈉氫離子交換蛋白1(Na+/H+exchanger 1, MdNHX1)和鉀離子通道蛋白(arabidopsis K+transporter1, MdAKT1)表達(dá)，將Na+轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡從而降低細(xì)胞質(zhì)中的Na+濃度，減少Na+毒害從而提高植株抗鹽性[27]。Zhang等[28]研究表明，外源褪黑素能顯著提高黃瓜種子在脅迫條件下的萌發(fā)率，一方面，褪黑素提高了黃瓜種子過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶的活力，減少了鹽脅迫引起的氧化損傷，另一方面，褪黑素誘導(dǎo)了ABA代謝相關(guān)的細(xì)胞色素氧化酶CYP707A1和CYP707A2的表達(dá)，加快了ABA分解，同時(shí)還誘導(dǎo)了GA合成相關(guān)基因的表達(dá)從而減緩鹽脅迫對(duì)種子萌發(fā)的抑制。外源施加褪黑素可調(diào)節(jié)水稻體內(nèi)一系列氧化還原酶基因的表達(dá)，抑制光氧化葉片壞死突變體中活性氧的積累，延緩細(xì)胞死亡，有效地清除衰老和逆境條件下產(chǎn)生的活性氧積累，減輕細(xì)胞損傷，從而延緩水稻葉片衰老、提高鹽脅迫抗性[29]。褪黑素預(yù)處理維持了番茄幼苗在鹽脅迫下的生長和凈光合速率，提高了生理鹽水條件下光系統(tǒng)Ⅱ 的有效量子產(chǎn)量和光化學(xué)猝滅系數(shù)，從而增強(qiáng)了番茄幼苗光合活性對(duì)鹽脅迫的耐受性[30]。鹽脅迫降低了蘋果的鉀離子吸收并增加了過氧化氫的積累，褪黑素處理能上調(diào)鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)基因和抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)的抗氧化酶基因表達(dá)來應(yīng)答上述鹽脅迫傷害[31]。外源褪黑素處理能夠增強(qiáng)葡萄苗期的耐鹽性，作用機(jī)制是褪黑素作為信號(hào)分子誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子骨髓母細(xì)胞增多癥病毒癌基因同源物108A(v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog 108A, MYB108A)，調(diào)控1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸合酶(1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase, ACS1)表達(dá)，通過增加乙烯合成量增強(qiáng)葡萄耐鹽性[32]。褪黑素還能增強(qiáng)水稻幼苗的耐鹽性，一方面褪黑素處理降低了鹽誘導(dǎo)的鉀離子外排，維持了鈉離子和鉀離子的平衡，另一方面褪黑素本身作為抗氧化劑清除了鹽脅迫產(chǎn)生的羥基自由基，減少了自由基的傷害[33]。

2.2.3低溫脅迫低溫環(huán)境會(huì)影響植物細(xì)胞膜流動(dòng)性和酶活力，抑制光合作用和營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，造成植物體的損傷，引起作物減產(chǎn)。Lei等[34]發(fā)現(xiàn)褪黑素可使低溫脅迫處理的胡蘿卜懸浮細(xì)胞保持細(xì)胞膜完整性；褪黑素處理還能增強(qiáng)紅景天愈傷組織低溫耐性和美國榆冷凍芽的再生性[35-36]。褪黑素外源添加可顯著增加低溫脅迫下擬南芥的株高、根長和幼苗鮮重，同時(shí)冷適應(yīng)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子如C重復(fù)結(jié)合因子(c repeat binding factor, CBF)、脫水響應(yīng)元件結(jié)合蛋白(dehydration responsive element protein, DREB)、鋅指蛋白10(zinc finger protein 10, ZAT10)等基因表達(dá)量也顯著提高[37]。Shi等[38]研究發(fā)現(xiàn)低溫脅迫下擬南芥體內(nèi)褪黑素合成增加，同時(shí)鋅指結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄因子ZAT6基因表達(dá)量也增加，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)ZAT6直接參與調(diào)控的CBF基因的表達(dá)是褪黑素誘導(dǎo)植物對(duì)抗冷脅迫所必需的，但是ZAT6并不調(diào)控冷脅迫處理過程中褪黑素含量的變化。

2.2.4高溫脅迫外源褪黑素處理能顯著提高擬南芥的耐熱性，A1類熱休克因子(class A1 heat shock factor, HSFA1s)參與了褪黑素誘導(dǎo)的耐熱性。當(dāng)擬南芥受到熱脅迫時(shí)，內(nèi)源性褪黑素水平迅速且大量誘導(dǎo)，增加的褪黑素進(jìn)一步上調(diào)AtHSFA1s的表達(dá)。然后，AtHSFA1s的激活增加了擬南芥熱響應(yīng)基因如熱擊蛋白90(heat shock protein, HSP90)和HSP101的轉(zhuǎn)錄水平，從而增強(qiáng)了擬南芥的耐熱性[39]。番茄中褪黑素也能增強(qiáng)熱脅迫耐受性，生理方面緩解了熱脅迫下的光抑制和降低了電解質(zhì)滲漏?；虮磉_(dá)方面褪黑素通過上調(diào)HSP來加強(qiáng)蛋白折疊，還上調(diào)了自噬基因(autophagy-related gene, ATG)表達(dá)降解聚集蛋白，通過折疊或降解變性蛋白來促進(jìn)細(xì)胞蛋白保護(hù)從而增強(qiáng)熱脅迫耐受性[40]。

2.2.5重金屬脅迫外源褪黑素處理能夠增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的耐受性。番茄幼苗中遭受鎘脅迫時(shí)，褪黑素處理能顯著增強(qiáng)植株對(duì)鎘的耐受性，一方面增強(qiáng)了植株的抗氧化能力，減少了鎘脅迫對(duì)光合作用的影響；另一方面增強(qiáng)了鎘離子在由根向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的區(qū)室封存，具體表現(xiàn)為根部鎘離子含量在褪黑素處理后沒有變化，但是葉片鎘離子含量降低了[41]。褪黑素處理西瓜幼苗后，能增強(qiáng)植株對(duì)釩的耐受性。外源褪黑素增強(qiáng)了西瓜內(nèi)源褪黑素的合成，同時(shí)還誘導(dǎo)了超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶等基因的表達(dá)，降低了過氧化氫和丙二醛的積累；另外還減少了釩從根向莖和葉的運(yùn)輸，降低了莖和葉釩的積累[42]。

上述研究結(jié)果顯示，褪黑素主要是從兩方面增強(qiáng)植物非生物脅迫抗性，一方面是褪黑素本身作為抗氧化劑來清除植物體內(nèi)的由非生物脅迫產(chǎn)生的自由基，減少氧化脅迫傷害；另一方面是作為信號(hào)分子，激活非生物脅迫應(yīng)答基因表達(dá)，增強(qiáng)非生物脅迫抗性。

2.3 褪黑素提高植物生物脅迫抗性

褪黑素不僅能增強(qiáng)植物非生物脅迫耐受性，還能增強(qiáng)植物對(duì)生物脅迫的防御。在水稻懸浮培養(yǎng)基中外源施加血清素能誘導(dǎo)防御基因的表達(dá)和細(xì)胞死亡，增加水稻對(duì)稻瘟病侵染的抗性，以上結(jié)果表明血清素在水稻先天免疫中發(fā)揮重要作用[43]。褪黑激素參與了對(duì)強(qiáng)致病菌丁香假單胞菌DC3000的防御，擬南芥和煙草葉片上施用10 μmol·L-1濃度的褪黑激素可誘導(dǎo)多種致病相關(guān)基因(pathogenesis-related gene, PR)以及一系列由水楊酸(salicylic acid, SA)和乙烯(ethylene, ET)激活的防御基因。擬南芥病程相關(guān)基因非表達(dá)子1突變體npr1(nonexpressor of pathogenesis-related gene1, NPR1)和乙烯不敏感突變體ein2(ethylene insensitive 2, EIN2)中，褪黑激素誘導(dǎo)的PR基因幾乎完全或部分被抑制，這表明SA和ET依賴于褪黑激素誘導(dǎo)的植物防御信號(hào)，還表明褪黑素可能是一種新的植物-病原體相互作用的防御信號(hào)分子[44]。

在擬南芥褪黑素合成途徑基因SNAT突變體中，病程防御相關(guān)基因表達(dá)受到了影響。接種番茄細(xì)菌性葉斑病菌DC3000，snat中褪黑素合成含量下降至野生型的50%，對(duì)病原菌感染的敏感性增強(qiáng)，防御基因PR1、異分支合酶1(isochorismate synthase 1, ICS1)和植物防御素1.2(plant defensin1.2, PDF1.2)表達(dá)量降低。外源褪黑激素處理水楊酸羥化酶(sallicylate hydroxylase, nahG)擬南芥轉(zhuǎn)基因植株后，無法誘導(dǎo)防御基因表達(dá)，但恢復(fù)了snat突變株防御基因的誘導(dǎo)表達(dá)。這表明褪黑素誘導(dǎo)防御基因的表達(dá)是依賴SA途徑的[45]。

褪黑素通過誘導(dǎo)一些植物防御相關(guān)基因的表達(dá)來增強(qiáng)病原體的抗性，有研究表明這種誘導(dǎo)作用與絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)有關(guān)。褪黑素處理擬南芥和煙草，絲裂原活化蛋白激酶3(mitogen-activated protein kinase 3, MPK3)和MPK6被快速激活，褪黑素前體物質(zhì)也能誘導(dǎo)這種激活，但是激活程度低于褪黑素。用褪黑素處理絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase kinase, MKK)突變體后，發(fā)現(xiàn)MKK4、MKK5、MKK7和MKK9參與了MPK3和MPK6的激活。這表明褪黑素介導(dǎo)的免疫反應(yīng)是通過MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)途徑實(shí)現(xiàn)的[46]。

褪黑素處理能提高蘋果植株對(duì)蘋果斑病的抗性，經(jīng)過褪黑素處理的葉片過氧化氫含量更低，植物防御相關(guān)酶的活性也得到增強(qiáng)，可能是通過這兩方面提高了蘋果抗病能力[47]。外源褪黑素能提高馬鈴薯對(duì)馬鈴薯晚疫病的耐受性，一方面褪黑素能抑制馬鈴薯晚疫病菌菌絲的生長，改變細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)，降低病菌對(duì)脅迫的耐受性，顯著抑制病菌的生長。另一方面，褪黑素影響了馬鈴薯晚疫病菌的氨基酸代謝過程、脅迫耐受性、殺菌劑抗性和毒力相關(guān)基因的表達(dá)。研究還發(fā)現(xiàn)褪黑素和殺菌劑有協(xié)同作用，二者配合使用能減少殺菌劑用量，提高殺菌劑對(duì)馬鈴薯晚疫病的防治效果[48]。

上述研究表明褪黑素提高植物生物脅迫抗性主要是三方面的作用，一方面是褪黑素本身作為抑制劑限制細(xì)菌或真菌生長；第二方面是褪黑素發(fā)揮自身抗氧化劑功能，減少病菌入侵時(shí)產(chǎn)生的氧化脅迫；第三方面是褪黑素作為信號(hào)分子，通過SA或者M(jìn)APK途徑誘導(dǎo)防御基因表達(dá)增強(qiáng)植物對(duì)生物脅迫的抗性。

3 展望

植物褪黑素作為新的生長調(diào)節(jié)小分子物質(zhì)，逐漸成為植物研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。在褪黑素生物合成方面，參考動(dòng)物褪黑素合成途徑，研究者陸續(xù)克隆了植物褪黑素合成的關(guān)鍵酶，解析了植物褪黑素的合成途徑。在生理功能方面，褪黑素含有吲哚環(huán)，能否發(fā)揮類似于IAA的作用，促進(jìn)細(xì)胞膨大、調(diào)節(jié)側(cè)根生長、調(diào)控糖運(yùn)輸途徑尚有待深入研究。在應(yīng)對(duì)非生物脅迫方面，褪黑素一方面作為抗氧化劑來清除脅迫產(chǎn)生的自由基，另一方面能作為信號(hào)分子誘導(dǎo)非生物脅迫應(yīng)答基因來增強(qiáng)植物耐逆性。在應(yīng)對(duì)生物脅迫方面，褪黑素可以抑制細(xì)菌和真菌生長，還能通過SA誘導(dǎo)植物防御基因表達(dá)來抵御病害。雖然植物褪黑素研究目前已經(jīng)取得了較多進(jìn)展，但是還存在一些問題。首先，植物褪黑素含量方面對(duì)測(cè)定方法研究較多，而對(duì)培育高褪黑素含量的作物品種方面研究較少。如何利用褪黑素現(xiàn)有研究結(jié)果，結(jié)合傳統(tǒng)育種理論和經(jīng)驗(yàn)，選育高褪黑素含量的作物品種是一個(gè)具有吸引力和挑戰(zhàn)性的研究方向；第二，褪黑素在信號(hào)感知、傳導(dǎo)方面還不明晰，雖然克隆了一個(gè)褪黑素植物受體，該受體結(jié)合褪黑素后激活的直接下游信號(hào)研究較少，是否還有其他褪黑素受體也是亟待解決的科學(xué)問題；第三，褪黑素在植物應(yīng)對(duì)非生物脅迫時(shí)能夠誘導(dǎo)一些抗逆基因表達(dá)，具體是通過什么信號(hào)通路仍不明確；第四，褪黑素在植物應(yīng)對(duì)生物脅迫時(shí)能通過SA或MAPK信號(hào)途徑誘導(dǎo)防御基因表達(dá)，而另一個(gè)與防御反應(yīng)密切相關(guān)的植物激素茉莉酸與褪黑素之間是否存在交叉也有待進(jìn)一步研究。