楊 過，聶圣松，杭俊楠，李泓雨，方中明

(貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院 水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院/山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

褪黑素(Melatonin)又名松果腺素，其化學(xué)名稱為N-乙?；?5-甲氧基色胺(N-acetyl-5-methoxytryptamine)，于1958年首次在牛的松果體組織中被發(fā)現(xiàn)，屬于色氨酸的吲哚類衍生物[1]。到目前為止，褪黑素是已知在大多數(shù)生物體內(nèi)存在的唯一功能保守的廣譜生理調(diào)節(jié)因子，包括單細(xì)胞生物、微生物、藻類、脊椎動(dòng)物和植物[2-4]。在動(dòng)物中，褪黑素涉及多種生理過程，如睡眠、衰老和免疫，并影響情緒[5]。

褪黑素于1995年在植物中被發(fā)現(xiàn)[6]。迄今為止，大量研究表明，褪黑素是應(yīng)對(duì)非生物和生物脅迫的重要調(diào)節(jié)劑。對(duì)于非生物脅迫，褪黑素已被確定為一種保護(hù)劑，可抵御干旱[7]、高溫[8]、寒害[9]、鹽漬[10]、氧化脅迫[11]、重金屬[12]等脅迫。對(duì)于生物脅迫，褪黑素在緩解生物脅迫引起的病害如真菌病害[13]、細(xì)菌病害[14]、病毒病害[15]等病害防治中提供了有效途徑。此外，褪黑素還在植物生長和發(fā)育所必需的各種過程中發(fā)揮作用，包括調(diào)節(jié)種子萌發(fā)、根的生長和發(fā)育、葉片衰老、晝夜節(jié)律、果實(shí)采后成熟[16-17]。褪黑素由于其高度多樣化的生物學(xué)功能，有研究者提出，褪黑素是否可作為一種新型的植物激素，并建議使用術(shù)語“植物褪黑素”[18]。近期發(fā)現(xiàn)，擬南芥(Arabiopsis Thaliana)的CAND2/PMTR1定位于質(zhì)膜上，呈受體樣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與G蛋白ɑ亞單位(GPA1)相互作用，在不同組織中的表達(dá)受褪黑素的誘導(dǎo)，被認(rèn)為是一種植物褪黑素受體[19]。有了這一關(guān)鍵證據(jù)，結(jié)合生理反應(yīng)，如促進(jìn)生長、生根、抗衰老和關(guān)閉氣孔，植物褪黑素開始被認(rèn)為是一種植物激素。

在過去的研究中，對(duì)植物中褪黑素的普遍了解已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。因此，有必要對(duì)褪黑素在植物生長發(fā)育和逆境響應(yīng)中的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。在本綜述中，總結(jié)了褪黑素的生物合成和分解代謝途徑，還重點(diǎn)討論了褪黑素對(duì)植物生長發(fā)育及應(yīng)對(duì)各種非生物脅迫和生物脅迫的作用及相關(guān)應(yīng)用，并提出了今后的研究方向和目標(biāo)。

1 褪黑素在植物體內(nèi)的生物合成和代謝途徑

1.1 褪黑素的植物合成途徑

褪黑素在大多數(shù)植物中普遍存在，具有低分子量和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[20]。褪黑素在植物中的生物合成途徑不同于在動(dòng)物中的途徑，它至少涉及六種生物合成酶，包括色氨酸脫羧酶(TDCH)、色氨酸羥化酶(T5PH)、色胺5-羥化酶(T5H)、血清素5-乙酰轉(zhuǎn)移酶(SNAT)、N-酰血清素-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(ASMT)和咖啡酸O-甲基轉(zhuǎn)移酶(COMT)[21-22]。其中SNAT是一種關(guān)鍵的限速酶，其基因敲除菌株表現(xiàn)出表型變化，對(duì)一些非生物脅迫變得更加敏感[23-24]。ASMT和COMT可能參與了植物的陸系化，COMT最先出現(xiàn)在苔蘚植物中，被認(rèn)為是從ASMT進(jìn)化而來的。與ASMT相比，COMT的活性增加可能促進(jìn)了植物中褪黑素的產(chǎn)生。在高等植物中，COMT在木質(zhì)素生物合成中有重要功能[25]。此外，其他激素途徑也會(huì)影響褪黑素生物合成關(guān)鍵基因的表達(dá)。例如，ET不敏感蛋白3(CcEIN3)激活了山核桃中CcTDC和CcASMT1的表達(dá)[26]。

在植物中，色氨酸第一步由TDH脫羧基，之后色胺由T5H羥化[27]。SNAT和ASMT/COMT催化最后兩個(gè)生物合成步驟，其順序因環(huán)境條件而異[28]。在非生物脅迫下，不同ASMT亞型的表達(dá)被誘導(dǎo)，因此5-羥色胺首先被ASMT生成5-甲氧基色胺，然后乙?；纬赏屎谒豙29-30]。相比之下，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，主要途徑涉及5-羥色胺乙酰化形成N-乙酰-5-羥色胺，然后O-甲基化形成褪黑素[29]。

在動(dòng)物體內(nèi)，褪黑素在松果體中生物合成，在植物中合成褪黑素的特定器官目前尚不清楚。然而，在某些植物中，褪黑素可以作為長距離信號(hào)從根運(yùn)輸?shù)降厣喜糠諿31-32]。褪黑素合成酶SNAT主要定位于水稻、黃瓜和番茄等植物的葉綠體[33]。COMT和ASMT可以在葉綠體中高表達(dá)，它們的過表達(dá)導(dǎo)致褪黑素的產(chǎn)生增加[34]。這表明，葉綠體可能是褪黑素生物合成的主要部位。此外有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉綠體途徑被阻斷時(shí)，褪黑素的生物合成發(fā)生在線粒體中[35]，這表明線粒體也可能是褪黑素生物合成的場(chǎng)所。

1.2 褪黑素的植物代謝途徑

褪黑素可以通過酶和非酶轉(zhuǎn)化途徑降解[36]，在植物中的酶降解與脊椎動(dòng)物和其他真核生物中的降解有一些共同特征[37]。例如，在水葫蘆和其他光養(yǎng)生物中發(fā)現(xiàn)了吲哚胺2，3-雙加氧酶，該酶能將褪黑素轉(zhuǎn)化為N1-乙酰-N2-甲酰-5-甲氧犬脲酰胺(AFMK)[38]；同樣植物2-羥基褪黑素(2-OHM)和環(huán)-3-羥基褪黑素(C3-OHM)是植物代謝途徑中存在的兩種褪黑素羥化代謝產(chǎn)物。它們分別由褪黑素2-羥基酶(M2H)和褪黑素3-羥基酶(M3H)產(chǎn)生[39]。M2H途徑是最重要的分解代謝途徑，在調(diào)節(jié)生物和非生物脅迫下的生理生化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，M2H-1定位于葉綠體，在2-OHM生物合成中起重要作用[37]。有證據(jù)表明，內(nèi)源觸發(fā)的2-OHM以及外源施加的2-OHM可以提高植物對(duì)各種逆境脅迫的耐受性，如寒冷、干旱、金屬脅迫和病原體攻擊[30]。負(fù)責(zé)產(chǎn)生另一種重要的褪黑素羥化代謝產(chǎn)物C3-OHM的基因已經(jīng)在水稻中克隆，在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)，由M3H催化。在水稻中，C3-OH的表達(dá)水平呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律[39]。一般來說，C3-OHM和2-OHM是在植物中發(fā)現(xiàn)的褪黑素的主要羥化形式，而6-OHM主要存在于動(dòng)物中。此外，5-甲氧基色胺是另一種生物活性代謝物，由N-乙酰5-羥色胺脫乙酰酶(ASDAC)等催化形成[36]。對(duì)于非酶促褪黑素降解，褪黑素可以在其吲哚環(huán)的氮原子上亞硝化，從而形成N-亞硝胺[40]。

總之，在植物細(xì)胞中褪黑素與其主要代謝產(chǎn)物(2-羥基褪黑素和環(huán)-3-羥基褪黑素和5-甲氧基色胺)共同存在，受到外源性褪黑素的影響[36]。在植物中應(yīng)用外源褪黑素后，所產(chǎn)生的生理生化變化和脅迫反應(yīng)可能會(huì)因褪黑素代謝產(chǎn)物和內(nèi)源褪黑素水平的變化而有所不同[24]。褪黑素代謝物可以通過平衡氧化還原狀態(tài)來減少氧化損傷[41]，然而，褪黑素代謝產(chǎn)物在植物體內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑尚未完全闡明。

2 褪黑素在植物生長發(fā)育中的作用

褪黑素可以作為促進(jìn)植物種子萌發(fā)、根發(fā)育和植物生長的植物刺激物，作為提高植物對(duì)不利環(huán)境條件的耐受性的脅迫保護(hù)器，或者作為影響開花和果實(shí)成熟的生長調(diào)節(jié)劑[3,30]。此外，褪黑素通過調(diào)節(jié)與氧化還原網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的各種元素或干擾其他植物激素的活動(dòng)來發(fā)揮作用[42-44]。事實(shí)上，植物褪黑素似乎與其他眾所周知的植物激素平行發(fā)揮其功能。

2.1 刺激植物生長

褪黑素在刺激植物生長中的直接作用最初在金絲雀草、小麥、大麥和燕麥中被報(bào)道，研究表明這些植物的胚芽鞘因褪黑素處理而延長[45]。此外，褪黑素處理還促進(jìn)了各種植物的營養(yǎng)生長，如大豆、黃化白羽扇豆、玉米、黃瓜和擬南芥[46]。水稻的血清素5-乙酰轉(zhuǎn)移酶基因SNAT2或擬南芥的SNAT1基因下調(diào)導(dǎo)致植株半矮化[24,47]。攜帶水稻吲哚胺-3-雙加氧酶基因IDO的轉(zhuǎn)基因番茄幼苗降低了內(nèi)源褪黑素水平并減少了生物量。因此，促進(jìn)褪黑素的形成很可能在促進(jìn)作物生產(chǎn)方面具有巨大的潛力。

2.2 促進(jìn)植物生根

由于褪黑素與生長素IAA在化學(xué)性質(zhì)上的相似性，褪黑素對(duì)根系生長發(fā)育的影響引起了人們的廣泛關(guān)注。在過去的幾十年里，一系列研究表明，褪黑素是根生長發(fā)育的關(guān)鍵分子[48-49]。此外，越來越多的證據(jù)表明，褪黑素也是根與根際微生物相互作用的中心成分。外源褪黑素促進(jìn)了不同植物的根系器官發(fā)生，如側(cè)根和不定根的發(fā)育，包括白羽扇豆、水稻、黃瓜和擬南芥[48-50]。在擬南芥中，褪黑素使不定根和側(cè)根的數(shù)量分別增加了2倍和3倍[50]。褪黑素處理還顯著促進(jìn)甜櫻桃根系的生長[51]。過量表達(dá)綿羊血清素5-乙酰轉(zhuǎn)移酶基因SNAT的水稻幼苗產(chǎn)生的褪黑素水平是野生植物的10倍，表現(xiàn)出促進(jìn)根的生長。褪黑素還與生長素相互作用，控制根的發(fā)育。在芥菜和番茄植株中，較低的褪黑素含量增加了內(nèi)源IAA水平，并刺激了根的生長，褪黑素的促根作用可能由褪黑素誘導(dǎo)的IAA生物合成觸發(fā)[52]。然而，攜帶了SNAT/HIOMT基因的轉(zhuǎn)基因番茄和異源表達(dá)蘋果HIOMT的擬南芥植株對(duì)生長素的反應(yīng)明顯相似，包括根分枝和側(cè)根增加，但內(nèi)源IAA含量在這些番茄植株中減少了7倍，在擬南芥中減少了1.4倍。還有報(bào)道表明，褪黑素濃度升高減小了根分生組織的大小，同時(shí)IAA生物合成減少[53]。

此外，IAA生物合成中一些關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄水平，如編碼YUCCA和TAA家族蛋白的轉(zhuǎn)錄水平，在褪黑素處理時(shí)顯著降低。在有和沒有褪黑素處理的情況下，幾個(gè)生長素相關(guān)基因在黃瓜根中的表達(dá)相似[54]。編碼幾種生長素內(nèi)流載體蛋白(AUX1/LAX)的基因在擬南芥中受到嚴(yán)重下調(diào)，以響應(yīng)褪黑素處理，而這些蛋白調(diào)控側(cè)根發(fā)育、根向重力性和根毛發(fā)育[55]。褪黑素處理還改變了許多生長素相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)元件，如WRKY、NAC、MYB、bHLH和HD-ZIP轉(zhuǎn)錄因子[49]。基于這些觀察，我們認(rèn)為褪黑素是根形態(tài)的重要調(diào)節(jié)因子，它通過間接激活生長素信號(hào)通路發(fā)揮作用，并可能影響生長素的極性運(yùn)輸和感知。

2.3 促進(jìn)葉片衰老

葉片是植物進(jìn)行光合作用最重要的器官，葉片的衰老對(duì)作物產(chǎn)量有著直接關(guān)聯(lián)作用，尤其是葉片的早衰，對(duì)作物的結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量影響最為嚴(yán)重。研宄發(fā)現(xiàn)，1 mmol/L濃度褪黑素可以通過協(xié)同激動(dòng)素拮抗脫落酸的產(chǎn)生，從而有效抑制大麥葉片的衰老，減緩植株生長后期的葉綠素降解[56]。對(duì)長期根灌褪黑素的蘋果樹進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，褪黑素可以通過抑制蘋果葉片質(zhì)體中與光合作用和氧化還原響應(yīng)有關(guān)的水解酶活性，從而延緩蘋果葉片的衰老。褪黑素除了通過減緩葉綠素含量的降解，維持光合作用的穩(wěn)定性，延長葉片的生長周期，其還可以通過平衡葉片的能量代謝和延緩蛋白質(zhì)降解速率影響葉片衰老的時(shí)間[57]。褪黑素延緩葉片衰老主要是通過激活抗氧化酶活性，維持植物葉片光合酶活性，提高PSII效率，降低葉綠素降解速率，并通過調(diào)節(jié)糖和氮代謝防止蛋白質(zhì)降解[58]。因此，褪黑素延緩植物葉片衰老的過程是一個(gè)多角度、多層次、多要素綜合調(diào)控的結(jié)果。

3 褪黑素在響應(yīng)逆境脅迫中的作用

3.1 褪黑素在非生物脅迫中的作用

3.1.1褪黑素在干旱脅迫中的作用

干旱限制了植物的生長和發(fā)育，嚴(yán)重威脅作物產(chǎn)量和品質(zhì)[59]。褪黑素在植物的干旱反應(yīng)和抗旱性中起重要作用。通常缺水促進(jìn)褪黑素的生物合成，這是由于褪黑素生物合成基因(如TDC、ASMT、COMT和SNAT)在缺水過程中表達(dá)上調(diào)，內(nèi)源褪黑素水平在缺水過程中發(fā)生變化。在擬南芥、大麥、蘋果、葡萄和水稻中已經(jīng)報(bào)道了干旱誘導(dǎo)的褪黑素生物合成[60]。外源褪黑素處理可以觸發(fā)內(nèi)源褪黑素水平的增加，從而改善干旱脅迫下的膨壓、細(xì)胞穩(wěn)定性、葉綠素恢復(fù)和光合作用機(jī)制的穩(wěn)定性[61]。關(guān)于褪黑素在提高作物抗旱方面的作用，已有許多報(bào)道。例如，在干旱期間，褪黑素處理可以促進(jìn)種子萌發(fā)、側(cè)根形成、下胚軸伸長、營養(yǎng)生長和果實(shí)品質(zhì)[62]。褪黑素通過降低番茄的脯氨酸、可溶性糖等和提高光合作用效率來提高番茄的抗脫水能力和促進(jìn)營養(yǎng)生長[63]。在檸檬馬鞭草中，褪黑素處理減輕了干旱的不利影響，同時(shí)通過調(diào)節(jié)礦物質(zhì)穩(wěn)態(tài)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累來促進(jìn)生長和精油產(chǎn)量[62]。褪黑素處理也可以減輕干旱誘導(dǎo)的植物氧化損傷[64]。褪黑素可以激活抗氧化酶如抗壞血酸過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化物酶、脫氫抗壞血酸還原酶和谷胱甘肽還原酶，從而抑制干旱環(huán)境中活性氧的積累[65]。

3.1.2褪黑素在澇害脅迫中的作用

澇害會(huì)影響作物的生存、生長和生產(chǎn)力，主要原因是澇害導(dǎo)致根中無氧呼吸并引起的低氧脅迫，從而促進(jìn)活性氧的積累[66]。過量的活性氧產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致根腐爛和葉枯萎。褪黑素參與調(diào)節(jié)植物對(duì)澇害的反應(yīng)，內(nèi)源褪黑素水平與抗?jié)衬芰Τ收嚓P(guān)。當(dāng)植物面對(duì)澇害脅迫時(shí)，它們的內(nèi)源褪黑素水平會(huì)增加，褪黑素生物合成基因(例如TDC、T5H、ASMT、COMT和SNAT)上調(diào)[60]。外源褪黑素處理通過調(diào)節(jié)內(nèi)源褪黑素水平，顯著提高了桃樹、蘋果和紫花苜蓿的幼苗活力[67]。此外，褪黑素處理可減緩氣孔關(guān)閉、葉綠素和光合作用降低以及葉片衰老[67]。在蘋果中，外源褪黑素誘導(dǎo)了內(nèi)源褪黑素水平在受澇期間的轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)[68]。此外，褪黑素可減輕內(nèi)澇引起的氧化損傷。在淹水脅迫下，褪黑素提高了桃樹幼苗葉片和根中抗氧化酶的活性，降低了過氧化氫的濃度，以維持氧化還原動(dòng)態(tài)平衡[67]。以上研究表明，褪黑素在提高作物對(duì)澇害脅迫的抗性方面具有十分重要的意義。

3.1.3褪黑素在鹽脅迫中的作用

鹽脅迫已成為一個(gè)嚴(yán)重的全球問題，限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并導(dǎo)致世界范圍內(nèi)的重大經(jīng)濟(jì)損失[69]。鹽對(duì)植物有兩種有害影響：滲透脅迫和離子中毒。鹽脅迫改變了基因表達(dá)、信使核糖核酸的穩(wěn)定性和翻譯調(diào)控，從而改變了植物中蛋白質(zhì)的豐度。褪黑素增強(qiáng)了玉米、小麥、黃瓜、番茄、棉花和水稻等各種植物的耐鹽性[70-71]。鹽脅迫可以影響褪黑素生物合成酶的表達(dá)模式，增加內(nèi)源褪黑素含量。此外，過表達(dá)SNAT可以顯著提高植物的耐鹽性。例如，與野生型品系相比，高表達(dá)VvSNAT1的擬南芥在鹽脅迫下表現(xiàn)出更綠的葉片、更強(qiáng)的生長和更高的萌發(fā)率[72]。

3.1.4褪黑素在高溫脅迫中的作用

由于全球變暖，高溫正成為一個(gè)全球關(guān)注的問題。頻繁的熱浪對(duì)陸地植物產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。熱脅迫在生理水平(如光合作用、細(xì)胞膜熱穩(wěn)定性和氧化損傷)、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平(如非編碼RNA)和表觀遺傳水平(如DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑)等方面影響植物[73]。在熱脅迫期間，內(nèi)源褪黑素水平增加，從而提高植物的耐熱性。在番茄中，COMT1和TDC沉默通過抑制內(nèi)源褪黑素的生物合成來加劇高溫誘導(dǎo)的氧化損傷。ASMT和SNAT過表達(dá)通過增加內(nèi)源性褪黑素顯著改善熱耐受性[74]。

在高溫脅迫下，外源褪黑素可以通過控制活性氧的積累和促進(jìn)脯氨酸代謝來增強(qiáng)植物的抗氧化防御系統(tǒng)。在番茄幼苗中，褪黑素處理通過平衡氧化還原動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)調(diào)節(jié)多胺和一氧化氮的生物合成來提高耐熱性。褪黑素處理上調(diào)了熱激蛋白基因HSP的表達(dá)，修復(fù)了熱暴露后變性或受損的蛋白質(zhì)[75]。在小麥中，熱脅迫下褪黑素和硫化氫之間的相互作用維持了小麥的光合作用潛力[76]。在高溫脅迫下，外源褪黑素可以通過調(diào)節(jié)熱刺激因子的活性來減輕植物的熱害。在擬南芥中，褪黑素介導(dǎo)的耐熱性與HSFA2和HSA32以及HSP90和HSP101的上調(diào)有關(guān)，Hsp40與SNAT相互作用，通過在熱脅迫下維持Rubisco酶的穩(wěn)定性來調(diào)節(jié)褪黑素的生物合成并提高耐熱性[74]。此外，外源褪黑素通過上調(diào)大豆幼苗中水楊酸的產(chǎn)生和下調(diào)ABA水平來減少熱誘導(dǎo)的傷害[77]。褪黑素可以減少花藥中活性氧的積累，增強(qiáng)熱休克蛋白的表達(dá)，并誘導(dǎo)抗氧化酶保護(hù)細(xì)胞器，從而減少高溫誘導(dǎo)的花粉失活和花粉萌發(fā)抑制，表明褪黑素在植物繁殖中具有潛在的調(diào)節(jié)作用[78]。這些發(fā)現(xiàn)為褪黑素調(diào)高植物耐高溫性的機(jī)制提供了新的見解，但分子機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

3.1.5褪黑素在低溫脅迫中的作用

低溫脅迫對(duì)作物生長和生產(chǎn)力具有破壞性影響，導(dǎo)致氧化還原失衡，并導(dǎo)致活性氧過度積累。作為對(duì)冷脅迫的反應(yīng)，植物增加脫落酸的合成，從而激活C-重復(fù)結(jié)合因子途徑[79]。極端寒冷的環(huán)境通常會(huì)誘導(dǎo)褪黑素的積累，以保護(hù)植物免受致命傷害。提高內(nèi)源褪黑素水平可以增加植物的耐冷性。有證據(jù)表明，褪黑素可以從根傳輸?shù)降厣喜?，通過根到枝的交流和運(yùn)輸提高耐寒性[80]。外源褪黑素處理可以通過提高冷藏條件下的耐冷性來維持水果、蔬菜和切花的品質(zhì)。例如，用褪黑素進(jìn)行貯藏前處理會(huì)引發(fā)酚類化合物的積累和木質(zhì)素的減少，從而減輕冷藏條件下冷害引起的風(fēng)味和營養(yǎng)損失[81]。用褪黑素處理狗牙根可以改善次生代謝物的水平，包括氨基酸、有機(jī)酸、碳水化合物和糖，從而增強(qiáng)耐寒性[82]。褪黑素處理提高了番茄的耐冷性，這是由于褪黑素處理后精氨酸依賴的一氧化氮積累所致。在冷脅迫下，褪黑素上調(diào)與脅迫反應(yīng)途徑相關(guān)的基因，如C-重復(fù)結(jié)合因子/脫水反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CBF/DREB)、冷調(diào)節(jié)15a(COR15a)、鈣調(diào)蛋白結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活因子1(CAMTA1)以及鋅指轉(zhuǎn)錄因子[44]。在無殼大麥幼苗中補(bǔ)充褪黑素，也改變了生物鐘基因的節(jié)律表達(dá)模式，調(diào)節(jié)了它們的生長并增強(qiáng)了抗寒性[83]。此外，植物激素生物合成基因的表達(dá)模式受外源褪黑素的調(diào)節(jié)。例如，在低溫脅迫下，褪黑素處理后，西瓜葉片中茉莉酸生物合成的關(guān)鍵基因ClAOC1和IAA生物合成的關(guān)鍵基因ClAMI1的表達(dá)水平均上調(diào)[84]。

3.1.6褪黑素在重金屬脅迫中的作用

土壤中含過多的重金屬會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的植物生長遲緩，損害光合作用和根系，并導(dǎo)致礦物質(zhì)動(dòng)力學(xué)的失衡和過量的活性氧產(chǎn)生，從而降低植物對(duì)各種重金屬毒害的耐受性。褪黑素處理的幼苗增加了主要參與重金屬螯合的次生代謝物的產(chǎn)生，并抑制了活性氧的形成，從而緩解了重金屬對(duì)生長的抑制[85]。

鎘脅迫中，外源褪黑素和鎘脅迫誘導(dǎo)內(nèi)源褪黑素的積累，對(duì)植物生長、清除活性氧、抗氧化能力、巰基化合物的生物合成和鎘在液泡中的固定具有積極的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫誘導(dǎo)了HsfA1a的表達(dá)，HsfA1a直接與咖啡酸O-甲基轉(zhuǎn)移酶1(基因COMT1)啟動(dòng)子結(jié)合，促進(jìn)其表達(dá)，增加褪黑素的生物合成。因此，HsfA1a是COMT1轉(zhuǎn)錄和褪黑素積累的正調(diào)控因子。褪黑素通過促進(jìn)谷胱甘肽和植物絡(luò)合蛋白的生物合成，從而將鎘隔離在液泡中，從而增強(qiáng)了番茄對(duì)鎘的耐性[86]。硫代謝在鎘的解毒過程中也至關(guān)重要。褪黑素和硫磺的配合使用增強(qiáng)了番茄幼苗的抗氧化能力和光合作用能力。褪黑素還促進(jìn)下游硫代謝產(chǎn)物半胱氨酸和谷胱甘肽的生物合成，并最終通過調(diào)節(jié)螯合能力和氧化還原動(dòng)態(tài)平衡來提高植物對(duì)鎘的耐受性。在鎘脅迫下，硒促進(jìn)褪黑素和硫化物的合成，從而提高植物對(duì)鎘的耐受性，緩解生長抑制和減少電解質(zhì)滲漏[87]。

鑭害可誘導(dǎo)番茄幼苗產(chǎn)生活性氧，加劇膜脂過氧化，導(dǎo)致生長抑制，降低光合作用參數(shù)。外源褪黑素和硫磺聯(lián)合應(yīng)用比單獨(dú)使用褪黑素或硫磺能更有效地緩解鑭的毒性。褪黑素和硫磺可通過上調(diào)前體酶(δ-ALAD)活性，抑制葉綠素降解，增加光合作用相關(guān)酶的活性來提高光合作用效率，促進(jìn)抗氧化酶(APX，SODARMDHAR，DHAR和GR)的合成，從而提高植物對(duì)鑭的耐性。

釩抑制植物的生長和生物量，這主要是由于釩對(duì)光合作用系統(tǒng)、根系特性和養(yǎng)分平衡的破壞。褪黑素的應(yīng)用可以通過促進(jìn)光合作用、生物量生產(chǎn)、氧化還原平衡、養(yǎng)分吸收和根系特征以及通過減少番茄幼苗對(duì)釩的吸收來提高對(duì)釩脅迫的耐受性[88]。關(guān)于褪黑素在植物抵御重金屬的應(yīng)用中已取得了較大的進(jìn)展，然而，仍需要進(jìn)一步的分子和遺傳學(xué)證據(jù)來支持褪黑素在重金屬耐受性中的調(diào)控機(jī)制，以及各種重金屬誘導(dǎo)褪黑素生物合成和提高重金屬的耐受機(jī)制。

3.2 褪黑素在生物脅迫中的作用

生物脅迫對(duì)世界各地的農(nóng)產(chǎn)品造成了巨大的損害，并增加了許多國家的饑餓風(fēng)險(xiǎn)。生物脅迫包括病毒、細(xì)菌、寄生線蟲、真菌、雜草、昆蟲和其他原生或栽培植物。影響這些損害的嚴(yán)重程度的因素很多，例如環(huán)境變化。植物自身通過多種途徑和植物抗性蛋白耐受生物脅迫。在植物-真菌交互作用模型中，褪黑素可以幫助番茄抵抗灰霉病菌，從而提高對(duì)致病疫霉的耐受性[89]。此外，褪黑素還能清除蘋果芽中的蘋果莖溝病毒，降低番茄幼苗中煙草花葉病毒的濃度[60]。與殺蟲劑相比，褪黑素是一種環(huán)境友好的替代策略，可以保護(hù)植物免受病原體的侵襲。

褪黑素對(duì)櫻桃番茄上的食源性芽孢桿菌有抑制作用，包括蠟狀芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌。一方面，高濃度的褪黑素通過抑制細(xì)胞分裂和氧化磷酸化，對(duì)枯草芽孢桿菌具有較強(qiáng)的抗菌活性。此外，褪黑素還降低了枯草芽孢桿菌的游泳力和生物被膜的形成。另一方面，低濃度的褪黑素提高了櫻桃番茄的抗氧化能力，并誘導(dǎo)了基于乙烯的防御反應(yīng)[90]。

4 展望

褪黑素是一種在植物中具有多種作用的多效性分子，參與多種生理活動(dòng)，如生長、生根、種子萌發(fā)、光合作用，還作為抗氧化劑在控制植物細(xì)胞中存在的活性氧以及其他自由基和有害氧化分子方面具有重要作用。此外，還作為一個(gè)信號(hào)分子，調(diào)節(jié)與應(yīng)激反應(yīng)、抗氧化劑產(chǎn)生和植物激素途徑有關(guān)的基因的表達(dá)，還可以與一氧化氮相互作用，調(diào)節(jié)氧化還原動(dòng)態(tài)平衡，從而在非生物脅迫期間保持抗氧化潛力。

最近發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)擬南芥中的褪黑素受體為被認(rèn)為是一種新的植物激素的調(diào)節(jié)分子打開了大門。由于褪黑素一直被廣泛用于人類的睡眠輔助和晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)，且沒有明顯毒性，對(duì)植物和環(huán)境都較為安全。所以，褪黑素在提高作物產(chǎn)量和收獲后保鮮方面有較好的應(yīng)用前景。比如最近發(fā)現(xiàn)褪黑素通過促進(jìn)水稻分蘗芽伸長，從而增加水稻產(chǎn)量，也說明了褪黑素在提高作物產(chǎn)量上具有重要的作用[91]。

另外，雖然在擬南芥中已經(jīng)報(bào)道了褪黑素受體，但褪黑素介導(dǎo)的信號(hào)通路尚未完全闡明。已有報(bào)道表明，褪黑素與生長素、赤霉素、水楊酸、乙烯、脫落酸途徑中涉及的酶、受體和轉(zhuǎn)錄因子存在交叉調(diào)控作用。所以，闡明褪黑素如何在不同的生理過程中與各種植物激素一起發(fā)揮作用的分子機(jī)制具有重要意義。

展望未來，褪黑素還需要在以下方面進(jìn)行進(jìn)一步的探究：第一，探索與褪黑素相關(guān)的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及與其他激素的相互調(diào)控作用；第二，進(jìn)一步揭示與褪黑素生物合成及代謝的關(guān)鍵基因?qū)ψ魑锷L發(fā)育、產(chǎn)量調(diào)控以及抗逆方面的作用；第三，探索褪黑素在作物遺傳改良上的應(yīng)用。