鞏彪,史慶華

（山東農(nóng)業(yè)大學園藝科學與工程學院/作物生物學國家重點實驗室/農(nóng)業(yè)部黃淮海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程科學觀測實驗站，山東泰安 271018）

園藝作物褪黑素的研究進展

鞏彪,史慶華

（山東農(nóng)業(yè)大學園藝科學與工程學院/作物生物學國家重點實驗室/農(nóng)業(yè)部黃淮海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程科學觀測實驗站，山東泰安 271018）

褪黑素是一種在生物體中廣泛存在的吲哚胺類化合物，在動物中具有調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、提高免疫力和抗衰老的作用，是一種對人類健康有益的保健佳品?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)褪黑素在高等植物中廣泛存在，其生物合成途徑以L-色氨酸為底物，途徑色胺、5-羥色胺、N-乙酰-5-羥色胺，最終生成褪黑素。目前，植物中鑒定到的褪黑素合成關(guān)鍵酶有：L-色氨酸脫羧酶（TrpDC）、色氨酸羥化酶（T5H）、5-羥色胺-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶（SNAcT）、N-乙酰-5-羥色胺甲基轉(zhuǎn)移酶（AcSNMT）和羥基吲哚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（HIOMT）。雖然目前有關(guān)褪黑素在園藝作物中的功能研究還不是很多，但已有研究表明，褪黑素在園藝作物中具有促進生長，增加產(chǎn)量，促進種子萌發(fā)，調(diào)節(jié)光周期，調(diào)控根系發(fā)育，延遲葉片衰老，影響果實成熟和貯藏等生理功能。而褪黑素的抗氧化特性又賦予它較強的活性氧（ROS）清除能力，且褪黑素能提高光照、溫度、水分、鹽堿、重金屬和氧化脅迫下的抗氧化酶活性。此外，褪黑素還參與了包括生長素（IAA）、赤霉素（GA）、脫落酸（ABA）、乙烯（ETH）、水楊酸（SA）、多胺（PAs）和一氧化氮（NO）等物質(zhì)介導的信號轉(zhuǎn)導途徑，組成了控制園藝作物生長、發(fā)育和抗性獲得的復雜信號網(wǎng)絡(luò)。文中從“褪黑素在植物中的生物合成，園藝作物中的褪黑素含量及影響因素，褪黑素在園藝作物生長、發(fā)育中的作用，褪黑素在園藝作物脅迫應(yīng)答中的作用，褪黑素調(diào)控植物生長發(fā)育和抗逆性的信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡(luò)”5個方面對褪黑素在園藝生產(chǎn)中的作用進行綜述。重點闡述已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的褪黑素在園藝作物上的功能作用，對其潛在生理功能進行了預(yù)測，并從提升園藝作物褪黑素含量方面展望了今后需重點開展的研究。

褪黑素；園藝作物；生長；發(fā)育；脅迫應(yīng)激

0 引言

褪黑素（Melatonin）又名N-乙酰-5-甲氧基色胺（N-acetyl-5-methoxytryptamine），屬吲哚類色胺。1958年，LERNER等[1]首次從牛的松果體中提取出褪黑素，并證實它是一種類激素物質(zhì)，參與動物的生長、發(fā)育調(diào)控和信號轉(zhuǎn)導。褪黑素曾被認定為動物專屬激素，直至BALZER和HARDELAND[2]從單細胞藻類Gonyaulax polyedra中分離并鑒定出了褪黑素，才證明植物界也有天然褪黑素的存在。自此，褪黑素在植物及農(nóng)業(yè)科學領(lǐng)域受到了科研工作者的廣泛關(guān)注，成為新的研究熱點[3]。隨著物質(zhì)分離及鑒定技術(shù)、植物生理與細胞生物學理論、分子生物學理論、測序技術(shù)等研究手段的迅猛發(fā)展，科學家對植物中褪黑素的合成、含量、分布及功能等進行了更為全面、深入的研究。鑒于褪黑素在植物中具有多效調(diào)節(jié)作用，且對人類健康大有裨益；褪黑素在園藝作物中的研究日益增多。因此，本文綜述了園藝作物中的褪黑素及其功能，以期為褪黑素在園藝作物生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 褪黑素在植物中的生物合成

MURCH等[4]以金絲桃（Hypericum monogynum）幼苗為試材，采用同位素示蹤技術(shù)，通過供應(yīng)外源C14標記的色氨酸，檢測到具有放射性的色胺、5-羥色氨酸、5-羥色胺、吲哚乙酸和褪黑素。其中，5-羥色氨酸和5-羥色胺被證明是動物中褪黑素的合成前體，說明褪黑素在植物和動物中的生物合成途徑有所交叉[5]。ARNAO[6]以L-色氨酸為底物研究了植物褪黑素的生物合成：L-色氨酸在L-色氨酸脫羧酶（TrpDC）的催化下進行脫羧反應(yīng)，生成色胺；色胺在色氨酸羥化酶（T5H）的作用下反應(yīng)生成5-羥色胺；隨后，5-羥色胺-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶（SNAcT）催化5-羥色胺生成N-乙酰-5-羥色胺；最后，N-乙酰-5-羥色胺可在N-乙酰-5-羥色胺甲基轉(zhuǎn)移酶（AcSNMT）或羥基吲哚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（HIOMT）的催化作用下生成褪黑素。目前，科學家已成功從植物中克隆出褪黑素合成關(guān)鍵酶基因TrpDC、T5H、AcSNMT和HIOMT，并進行了表達分析研究[7]，但至今尚未克隆到植物SNAcT，這說明褪黑素在植物中的合成代謝過程比早期預(yù)料更為復雜。

褪黑素是一種即親水又親脂的小分子化合物，可在細胞內(nèi)及細胞間自由穿梭，故至今植物中褪黑素的合成部位仍不明確[3]。近年，TAN等[8]提出了植物葉綠體和線粒體是褪黑素合成關(guān)鍵細胞器的假說，其假說建立的依據(jù)為：褪黑素是生物體中一種重要的抗氧化劑，而葉綠體和線粒體是植物活性氧（ROS）產(chǎn)生的主要部位，這兩種細胞器產(chǎn)生的大量褪黑素可用來清除過剩的ROS，從而降低細胞面對的氧化壓力。雖然證明了植物葉綠體和線粒體可以合成和代謝褪黑素，且可從線粒體中檢測到褪黑素合成相關(guān)酶的活性；但更有說服力的褪黑素合成關(guān)鍵基因的組織定位及亞細胞精細定位分析尚未見報道。

2 園藝作物中褪黑素的含量及影響因素

VANTASSEL等[9]采用放射免疫沉淀結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜連用技術(shù)從牽牛花（Ipomoea nil）和番茄（Solanum lycopersicum）中鑒定到褪黑素，這是首例園藝作物中報道的植物源褪黑素。此后，科學家陸續(xù)從更多的園藝作物中成功分離并鑒定出了植物源褪黑素（表1）。通常，在這些園藝作物中，種子中的褪黑素含量最高，果實中的褪黑素含量最低。表1中褪黑素含量低于50 pg·g-1的食用器官有獼猴桃（Actinidiachinensis）、黃瓜（Cucumis sativus）、香蕉（Musa acuminata）、蘋果（Malus domestica）和草莓（Fragaria ×ananassa）的果實；而以種子為食用器官的籽用芥菜（Brassica nigra）、杏（Prunus amygdalus）和向日葵（Helianthus annuus）中褪黑素含量相對較高。植物各器官中褪黑素含量通常符合如下規(guī)律：種子＞葉＞根＞花＞果實[6]；并且同一組織中的褪黑素分布也不均勻，如褪黑素在羽扇豆（Lupinus micranthus）葉片中的含量表現(xiàn)為：葉尖＞葉中＞葉基[10]。褪黑素的這種分布梯度形式與生長素極為相似，這預(yù)示著兩種吲哚胺類化合物在植物中可能具有相似或協(xié)同的生理功能[11]。

表1 園藝作物中的褪黑素含量Table 1 The content of melatonin in horticultural crops[6]

園藝作物中褪黑素含量受品種、生長環(huán)境、栽培方式、采收時間和加工方式等因素的影響。如櫻桃（Prunus avium）中，‘Montmorency’（13.46 ng·g-1）的褪黑素含量是‘Balaton’（2.06 ng·g-1）的6倍[12]；番茄中，‘Marbone’（114.5 ng·g-1）的褪黑素含量是‘Catalina’（4.1 ng·g-1）的28倍[13]；草莓中，‘Festival’（11.26 ng·g-1）的褪黑素含量是‘Camarosa’（1.4 ng·g-1）的8倍[13]；造成這種差異的主要因素是品種自身的基因型。不同年份的氣候及環(huán)境因素也可影響園藝作物的褪黑素含量。如2010年收獲的‘MARBONE’番茄較2009年同期收獲的該品種番茄褪黑素含量提高了6倍；而2010年收獲的‘Festival’草莓中褪黑素含量僅為2009年同期收獲的該品種草莓的33%[13]。大田栽培的番茄褪黑素含量顯著高于人工氣候室栽培的番茄，而人工氣候室培養(yǎng)的番茄褪黑素含量又顯著高于離體培養(yǎng)的番茄[14]。對于大多數(shù)番茄品種而言，果實套袋遮陰可顯著提高褪黑素含量，而辣椒（Capsicum annuum）套袋遮陰則降低褪黑素含量[15]。植物中褪黑素含量的動態(tài)變化受光周期和晝夜節(jié)律的調(diào)控，故一天當中的采收時間對產(chǎn)品器官中褪黑素的含量也是有影響的。雖然夜間采摘的櫻桃褪黑素含量顯著高于白天采摘的櫻桃；但就白天采摘的櫻桃而言，其果實中褪黑素含量的高峰值通常出現(xiàn)在溫度最高、光照最強的14：00[16]。這表明褪黑素不僅是簡單的響應(yīng)光周期，其還參與了抵御光傷害的保護機制。另有研究表明，采收時期也可影響產(chǎn)品器官的褪黑素含量。在櫻桃中褪黑素含量遵循綠熟期＞轉(zhuǎn)色期＞完熟期的規(guī)律[16]；而桑葉中褪黑素含量也表現(xiàn)為幼葉＞功能葉＞老葉[17]；辣椒中褪黑素含量隨著成熟也呈現(xiàn)先增后降的趨勢[18]。由此可見，植物中褪黑素含量與哺乳動物類似，表現(xiàn)為幼嫩組織＞成熟組織＞衰老組織，說明褪黑素是一類保幼或衰老拮抗物質(zhì)。園藝產(chǎn)品中褪黑素的含量還受采后加工工藝的影響。KIRAKOSYAN等[19]比較了冷凍櫻桃、凍干粉、櫻桃果汁和櫻桃果干中褪黑素的含量，發(fā)現(xiàn)櫻桃果汁和櫻桃果干不含褪黑素，而冷凍櫻桃和凍干粉中可檢測到褪黑素，且冷凍櫻桃中褪黑素含量顯著高于櫻桃凍干粉；這可能是因為褪黑素不穩(wěn)定，在破壞細胞結(jié)構(gòu)的加工過程中易降解。另外，果實經(jīng)發(fā)酵制成的果酒中褪黑素含量往往高于鮮果，這可能是由于果酒中褪黑素不僅來源于原材料本身，還可在釀制過程中產(chǎn)生[20]。而以桑葉加工制成綠茶和黑茶，其成品茶中褪黑素含量僅為鮮葉的15%[17]。另外，中國多數(shù)名優(yōu)茶品，如龍井茶、烏龍茶中均可檢測到褪黑素的存在。因此，選擇高褪黑素水平的品種，配以合適的栽培條件和栽培技術(shù)，適時采收，對維持園藝作物較高的褪黑素含量至關(guān)重要。對于以獲得營養(yǎng)保健功能為主要目標的果蔬深加工產(chǎn)品，則需考慮適宜的加工技術(shù)以最大限度的保持產(chǎn)品中的天然褪黑素含量。但目前這一領(lǐng)域的研究仍然欠缺。

3 褪黑素在園藝作物生長、發(fā)育中的作用

3.1 褪黑素對園藝作物生長和產(chǎn)量形成的影響

HERNáNDEZ-RUIZ等[11]首次在植物中提出褪黑素可能是一種類似激素的生長調(diào)節(jié)物質(zhì)的觀點：因為褪黑素可促進離體羽扇豆下胚軸的生長，其在植物組織中的分布及作用形式與吲哚乙酸（Indole-3-acetic acid，IAA）類似；該結(jié)論在多種植物中得到驗證[21]。化學結(jié)構(gòu)上褪黑素的側(cè)鏈沒有IAA的羧基，其促進生長的活性約為IAA作用效果的10%—50%[11]，且褪黑素與IAA受體無結(jié)合位點，表明褪黑素和IAA雖共為吲哚胺類化合物，但信號調(diào)控機理卻存在較大的差異[3]。由于植物中尚未發(fā)現(xiàn)褪黑素的特異結(jié)合受體，褪黑素尚不能定義為一種植物激素。盡管如此，越來越多的研究開始專注于探索并確定褪黑素在植物體內(nèi)所執(zhí)行的功能和信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡(luò)。

水稻（Oryza sativa）超表達動物SNAcT可顯著促進秧苗生長，并使其表現(xiàn)出花期延遲和產(chǎn)量降低的特點[22]。這與本文第2節(jié)中提到的“褪黑素是一類保幼或衰老拮抗物質(zhì)”的觀點相吻合，說明褪黑素具有促進營養(yǎng)生長，抑制生殖生長的作用。而用50 μmol·L-1褪黑素處理大豆（Glycine max），可顯著促進大豆植株生長，并增加產(chǎn)量[23]。向葡萄（Vitis vinifera）幼果噴施100 mg·L-1的褪黑素溶液，可引起葡萄果實內(nèi)源褪黑素積累，促進果實膨大[24]。由此可見，褪黑素對作物的生長有促進作用；不同的是，內(nèi)源褪黑素含量的增加降低了水稻產(chǎn)量，而外源褪黑素處理卻增加了大豆和葡萄的產(chǎn)量。褪黑素對作物產(chǎn)量的影響看似矛盾，但筆者分析認為：首先，大豆試驗采用苗期褪黑素處理，而在產(chǎn)量形成期并未添加褪黑素；而轉(zhuǎn)基因水稻的褪黑素在整個生育期均處于較高水平，故大豆表現(xiàn)為增產(chǎn)而水稻表現(xiàn)為減產(chǎn)。其次，就引文圖中的表型差異來看，褪黑素在大豆試驗中促進植株生長的效果要優(yōu)于水稻；而營養(yǎng)體的充分生長為生殖生長提供了更為充足的光合產(chǎn)物。第三，褪黑素抑制產(chǎn)量形成的本質(zhì)在于抑制生殖生長，即種子的形成；而葡萄的漿果是由子房發(fā)育而來，與番茄等漿果類作物相同，子房在果實發(fā)育前期的膨大需要依賴IAA的刺激以形成強庫獲得營養(yǎng)，而褪黑素與IAA作用效果相似，這可能是褪黑素促進葡萄果實膨大的具體機制。第四，低濃度褪黑素（10 μmol·L-1）可促進糖類代謝、光合作用和蔗糖在韌皮部的裝載與運輸，從而促進植株生長；而高濃度的褪黑素（1 mmol·L-1）則抑制韌皮部蔗糖裝載，使葉片積累過剩的蔗糖、己糖和淀粉，反饋抑制了葉片光合作用，抑制植株的生長[25]。褪黑素影響植株生長和光合作用的濃度效應(yīng)在櫻桃中也獲得證實[26]。超表達SNAcT類似于持續(xù)補充褪黑素，而外源施用則是短期補充褪黑素，即形成了褪黑素供應(yīng)量上的差異。綜上所述，這4點因素可能是褪黑素對產(chǎn)量影響差異的主要原因。

3.2 褪黑素對園藝作物成熟、衰老和貯藏保鮮的調(diào)控作用

成熟、衰老和貯藏保鮮是園藝產(chǎn)品生產(chǎn)中相互矛盾的過程。但日漸增多的研究表明褪黑素可靈活應(yīng)用于園藝作物成熟、衰老和貯藏保鮮調(diào)控。采用50 μmol·L-1和100 μmol·L-1的褪黑素預(yù)處理番茄，均可促進番茄的成熟[27]。其調(diào)控機制為：褪黑素激活A(yù)CS4表達，增強了乙烯的合成，通過NR、ETR4、EILs和ERF2等信號轉(zhuǎn)導途徑，促進PSY1表達合成番茄紅素，使番茄轉(zhuǎn)色；調(diào)控TBG4、PG2A、Exp1、XTH5和PE1表達降解細胞壁，軟化果實；調(diào)控PIPs表達控制果實失水；調(diào)控ADH2和AAT表達促進糖分轉(zhuǎn)化；由此形成了促進番茄成熟的表型特征。類似的研究結(jié)果在葡萄中也得到了證實[24]。在蘋果果實成熟過程中，褪黑素與丙二醛含量的變化始終呈負相關(guān)，表明褪黑素在果實成熟過程中的主要作用是消除呼吸躍變產(chǎn)生的ROS，以維持細胞內(nèi)的氧化還原平衡[28]。但也有研究表明，不同濃度的褪黑素在處理不同物種、不同熟度的果實時可能會得到截然相反的結(jié)果。例如：以100 μmol·L-1褪黑素處理完全成熟的桃（Amygdalus persica），可降低果實的呼吸速率，提高抗壞血酸含量和抗氧化酶活性，抑制糖分通過呼吸作用的降解，并減少ROS積累和膜脂過氧化反應(yīng)，增加果實硬度和鮮度，延長了果品的貨架期[29]。

擬南芥（Arabidopsis thaliana）在經(jīng)歷幼苗、成熟、衰老的過程中內(nèi)源褪黑素含量不斷上升，且外源噴施褪黑素可顯著抑制擬衰老進程；另外，發(fā)現(xiàn)褪黑素可降低與IAA信號拮抗的AXR3和IAA17表達，而IAA17可誘導衰老相關(guān)基因SEN4和SAG12表達，故褪黑素可通過降低IAA17及衰老相關(guān)基因的表達抑制植物的衰老進程[30]。另外，1 mmol·L-1褪黑素可顯著抑制大麥（Hordeum vulgare）葉片的衰老和葉綠素降解；認為褪黑素抑制葉片衰老的主要作用機理在于協(xié)同激動素（Kinetin，KT）并拮抗脫落酸（Abscisic Acid， ABA）[31]。且長期澆灌褪黑素亦可顯著抑制蘋果葉片的衰老；通過蛋白質(zhì)組學分析發(fā)現(xiàn)，褪黑素可抑制蘋果葉片質(zhì)體中的絕大多數(shù)水解酶活性，而這些水解酶參與了大分子蛋白的水解、氧化還原與脅迫響應(yīng)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、光合作用及其他衰老相關(guān)進程[32]。

3.3 褪黑素對園藝作物根系發(fā)育的影響

褪黑素可促進根系的發(fā)生、伸長、促進側(cè)根和不定根發(fā)育。0.1 μmol·L-1褪黑素可促進籽用芥菜根系伸長，而100 μmol·L-1褪黑素則抑制籽用芥菜根系伸長，這與IAA對植物根系發(fā)育的低促高抑現(xiàn)象相一致；且褪黑素可誘導籽用芥菜根系積累IAA，說明褪黑素和IAA間存在著相互影響[33]。外源添加500 μmol·L-1褪黑素可顯著促進黃瓜側(cè)根的發(fā)生；并且轉(zhuǎn)錄組分析表明，褪黑素可引起121個基因的上調(diào)表達和196個基因的下調(diào)表達；通過GO和Pathway富集分析，ZHANG等[34]認為褪黑素促進黃瓜側(cè)根發(fā)育的主要機制在于其可激活根系發(fā)生相關(guān)激素和轉(zhuǎn)錄因子通路的活性，并降低根系發(fā)生過程中呼吸作用產(chǎn)生的ROS傷害。另外，研究還發(fā)現(xiàn)，外源添加50 μmol·L-1褪黑素可顯著促進番茄幼莖的周皮部及新生不定根的尖端積累一氧化氮（Nitric oxide，NO），加速不定根再生；這說明NO作為褪黑素的下游信號參與了不定根再生的調(diào)控；且NO在褪黑素誘導的不定根發(fā)生過程中擔當了褪黑素和IAA的共同下游信號，促進了IAA的合成、極性運輸與激素信號感知[35]。

盡管褪黑素在影響植物根系發(fā)育過程中與IAA關(guān)系密切，但PELAGIO-FLORES等[36]認為褪黑素調(diào)控根系形態(tài)建成不依賴于IAA信號。另外，在肯定褪黑素能夠促進主根伸長和側(cè)根生長的基礎(chǔ)上，利用IAA響應(yīng)標簽DR5:uidA證明了褪黑素與IAA在根系發(fā)育過程中并沒有信號交聯(lián)，而是兩個相對獨立的信號轉(zhuǎn)導途徑。由此可見，褪黑素和IAA這兩種化學結(jié)構(gòu)相似的吲哚胺類化合物間的作用關(guān)系極為復雜。

4 褪黑素在園藝作物脅迫應(yīng)答中的作用

4.1 褪黑素對非生物脅迫的抗性調(diào)控

園藝生產(chǎn)中光能的高效利用及光對植株生長、發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的形成一直是科學研究的核心問題。采用100 mmol·L-1和500 mmol·L-1的褪黑素處理短日照植物可顯著抑制短日條件下植株的開花率，且只有在光照處理結(jié)束前或者是黑暗處理的前半段時間施加褪黑素才有效[37]。這暗示著褪黑素變化水平受晝夜節(jié)律的影響，并可調(diào)控植物的光周期，進而影響開花的一些早期步驟。另外，在辣椒栽培中采用套袋遮陰技術(shù)可使辣椒果實的褪黑素水平顯著降低，這說明太陽輻射可引起褪黑素含量的上升[15]。在小麥（Triticum aestivum）中的研究也表明，光照條件下葉片中的褪黑素含量顯著高于黑暗條件下；同時，光照處理能顯著提升葉片中褪黑素合成前體的積累[38]。另外，光質(zhì)也可影響植物內(nèi)源褪黑素的含量，表現(xiàn)為紅光處理＞藍光處理＞白光處理[39]。光對褪黑素的誘導效應(yīng)暗合了“葉綠體是褪黑素合成關(guān)鍵細胞器的假說[8]”，其依據(jù)為：辣椒果皮及植物葉片富含葉綠體，而光照在促進植物光合作用的同時不可避免的產(chǎn)生過剩光能，致使自由電子與O2的結(jié)合形成ROS；另外，紅光和藍光等單一光質(zhì)可能會特異性的增大光系統(tǒng)I（Photosystem I，PSI）或光系統(tǒng)II（Photosystem II，PSII）光能向電能的轉(zhuǎn)化效率，進而增加PSII和PSI間電子傳遞的不平衡性，為自由電子與O2結(jié)合生成ROS創(chuàng)造了條件；而褪黑素是一種抗氧化劑，故光誘導葉綠體產(chǎn)生大量褪黑素來清除過剩的ROS以降低細胞面對的氧化壓力是有一定生物學意義的。然而，目前尚無系統(tǒng)的光質(zhì)和光強對植物褪黑素含量的影響及褪黑素緩解植物強光傷害的直接證據(jù)。

溫度是影響園藝作物，尤其是蔬菜作物反季節(jié)栽培的關(guān)鍵環(huán)境因子，不適宜的溫度往往會導致園藝作物大幅減產(chǎn)、品質(zhì)劣變，嚴重時甚至絕產(chǎn)絕收。為此，園藝科研工作者也一直致力于研究植物的溫度適應(yīng)機制及高效、安全的植物生長調(diào)節(jié)劑以應(yīng)對突發(fā)的溫度變化。多數(shù)植物經(jīng)高溫脅迫后，褪黑素合成關(guān)鍵基因的表達量顯著上升，表明褪黑素在植物抵抗高溫脅迫中具有重要作用[40]，且褪黑素可誘導高溫脅迫下熱激因子和熱激蛋白的表達，并提高作物的存活率[41]。在黃瓜中的一些研究表明：外源添加褪黑素可提高高溫脅迫下黃瓜幼苗抗壞血酸代謝活性[42]，增強ROS清除能力[43]，提高氮代謝能力[44]，促進高溫逆境下黃瓜幼苗的生長。在褪黑素調(diào)控植物耐冷性研究領(lǐng)域，LEI等[45]以胡蘿卜（Daucus carota）為試材，發(fā)現(xiàn)褪黑素可提高低溫脅迫下胡蘿卜的細胞活力，增強細胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，抑制細胞程序化死亡產(chǎn)生的DNA有序降解，這是褪黑素提高植物耐冷性的首例報道。POSMYK等[46]研究表明，滲透脅迫能提高低溫脅迫下黃瓜種子的發(fā)芽率；同時，滲透脅迫強度與黃瓜種子發(fā)芽過程中的內(nèi)源褪黑素含量呈顯著正相關(guān)。進一步研究表明，適宜的滲透脅迫誘導的內(nèi)源褪黑素提升有利于清除低溫脅迫誘導的ROS，穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)；而高滲脅迫誘導的過量內(nèi)源褪黑素則破壞了蛋白質(zhì)的氧化平衡態(tài)，降低了黃瓜幼芽的低溫抗性。將人類的SNAcT在植物中異源表達可促進植物內(nèi)源褪黑素的積累，并賦予植物更強的耐冷性[47]。外源褪黑素提高植物耐冷性的研究在多類植物中亦有報道。以200 μmol·L-1褪黑素處理甜瓜（Cucumis melo）幼苗可顯著緩解低溫脅迫誘導的生長抑制，提高低溫脅迫下氮代謝關(guān)鍵酶活性，增強氮素吸收和同化能力，并提高脯氨酸和可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累，降低細胞膜損傷[48]。另外，外源褪黑素還可誘導一系列低溫響應(yīng)因子（CBFs、DREBs、COR15a、CAMTA1、ZATs和SIZ1）的表達[49-50]，這表明褪黑素具有響應(yīng)低溫并轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)代謝進程的生理功能。且褪黑素處理植物可以獲得類似低溫馴化的效果：穩(wěn)固低溫脅迫下的細胞膜結(jié)構(gòu)，增加抗氧化酶活性和PSII運行活性，并增強與低溫適應(yīng)相關(guān)的糖酸代謝[51]。

園藝作物栽培具有需水量大的特點，水分脅迫或生理性干旱往往會不同程度的影響作物的生長和發(fā)育，并對產(chǎn)量構(gòu)成極顯著的影響。100 μmol·L-1褪黑素處理黃瓜幼苗可顯著提高滲透脅迫下黃瓜幼苗的光合速率，抑制葉綠素降解，并提高抗氧化酶活性，進而提高黃瓜幼苗的抗旱性[52]。中國很多干旱/半干旱地區(qū)的果園長期處于缺水狀態(tài)，果樹雖能生長，但卻影響其產(chǎn)量。WANG等[53]研究表明，外源噴施褪黑素可抑制長期干旱脅迫下蘋果葉片的衰老，并緩解其干旱癥狀，提高葉片光能轉(zhuǎn)化效率和碳同化量，其調(diào)控機制主要是褪黑素能激活蘋果自身的抗氧化代謝，清除過剩的ROS，保持較高的細胞活力。ZUO等[54]從耐旱蘋果砧木（Malus zumi）中克隆了受干旱誘導的褪黑素合成關(guān)鍵基因AcSNMT，并在擬南芥中進行異源表達。亞細胞定位分析表明，AcSNMT主要定位在細胞核和細胞膜上，其控制合成的褪黑素可有效清除干旱誘導的ROS，并提高干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因植株的生長勢和成活率。MENG等[55]在葡萄中也驗證了褪黑素對干旱脅迫下ROS代謝的調(diào)控作用及抗旱機制。此外，還發(fā)現(xiàn)褪黑素能保護干旱脅迫下葡萄葉綠體膜結(jié)構(gòu)和基粒片層結(jié)構(gòu)，增加葉片厚度和柵欄組織緊實度，并調(diào)控氣孔關(guān)閉以降低水分散失。

全世界約有8.31×108hm2鹽堿地，占世界耕地面積的10%，嚴重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[56]。此外，設(shè)施園藝也因環(huán)境密閉，土壤缺乏雨水淋溶，施肥過多等因素面臨著土壤次生鹽漬化問題。但適度鹽堿可顯著提高冬棗（Ziziphus jujuba）、番茄、葡萄等園藝作物的產(chǎn)品品質(zhì)；比如山東東營等輕度鹽堿地區(qū)也形成了一批地方名優(yōu)果品。因此，如何提高園藝作物的耐鹽堿性成為鹽堿地區(qū)發(fā)展特色園藝產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。LI等[57]研究表明，以0.1 μmol·L-1褪黑素預(yù)處理蘋果幼苗可顯著緩解鹽脅迫對蘋果幼苗生長、光合作用的抑制；其緩解機理主要是外源褪黑素提高了蘋果抗氧化酶活性，清除了鹽脅迫誘導的ROS；此外，外源褪黑素還能激活Na+-K+反向轉(zhuǎn)運蛋白的基因表達，提高鹽脅迫下的K+/Na+。在柑橘（Citrus reticulata）中的研究也表明，外源添加1 μmol·L-1褪黑素能緩解鹽脅迫誘導的葉片失綠癥狀，降低根、莖、葉中的Na+積累，提高酚類、抗壞血酸和谷胱甘肽等還原性物質(zhì)的含量，促進相關(guān)抗氧化酶活性，緩解鹽脅迫誘導的氧化傷害[58]。在黃瓜中，外源褪黑素不僅能提高其耐鹽性[59]，還能提高其硝酸鹽耐受性[60]。除發(fā)現(xiàn)褪黑素能提高鹽脅迫下黃瓜的抗氧化系統(tǒng)運行活性外，還發(fā)現(xiàn)褪黑素能上調(diào)赤霉素（Gibberellin，GA）信號，并抑制ABA信號，從而促進鹽脅迫下黃瓜種子的發(fā)芽率。鹽脅迫48 h即可誘導向日葵內(nèi)源褪黑素的積累，并且鹽脅迫誘導褪黑素積累在根系維管束和皮質(zhì)間的分布也呈現(xiàn)區(qū)域化特點，如向日葵子葉等富含油脂的組織中褪黑素含量顯著高于其他組織[61]。且外源褪黑素能促進鹽脅迫下向日葵的下胚軸伸長和根系生長，在一定程度上緩解鹽脅迫對向日葵幼苗根系發(fā)育的抑制。另外，研究表明，外源添加0.5 μmol·L-1褪黑素能顯著提高堿性鹽脅迫下番茄幼苗的生物量，保護光合機構(gòu)，促進抗氧化系統(tǒng)運行活性，平衡番茄植株的Na+-K+代謝等[62]。這些外源褪黑素提高園藝作物耐鹽堿性的基礎(chǔ)研究為鹽堿地區(qū)園藝作物栽培技術(shù)的革新提供了理論支撐。

4.2 褪黑素對生物脅迫的抗性調(diào)控

植物生長發(fā)育過程中經(jīng)常遭受真菌、細菌、病毒和害蟲等生物的侵害。在受到生物脅迫時，植物會產(chǎn)生水楊酸（Salicylic acid，SA）、茉莉酸（Jasmonic acid，JA）、乙烯（Ethylene，ETH）和ABA等內(nèi)源激素調(diào)控應(yīng)答反應(yīng)。近年來研究表明，褪黑素能通過與SA、JA等所調(diào)控的生物脅迫信號傳導途徑互作，調(diào)控植物對生物脅迫的抗性。

用于研究細菌性病害致病機理的模式菌株P(guān)seudomonas syringe pv. tomato DC3000（DC3000）侵染植物可誘導內(nèi)源褪黑素積累，表明褪黑素在植物抗病響應(yīng)中可能發(fā)揮重要作用[63-64]。而外源噴施褪黑素可誘導植物病程相關(guān)蛋白的基因表達，以及由SA和ETH信號激活的防御相關(guān)基因的表達，且顯著降低病變程度；而外源褪黑素對SA和ETH信號控制的npr1、ein2和mpk6突變體無抗病誘導效果，說明褪黑素與SA和Eth信號存在密切關(guān)系[63]。LEE等[64]研究發(fā)現(xiàn)擬南芥褪黑素合成關(guān)鍵基因SNAcT突變后對DC3000表現(xiàn)為敏感型，且該突變體中褪黑素和SA含量及防御相關(guān)基因（PR1、ICS1和PDF1.2）表達量顯著低于野生型植株。而外源添加褪黑素雖無法提高SA缺陷型突變體（nahG）的抗病性，卻可促進snat突變體防御基因的表達；另外，外源褪黑素可促進病程相關(guān)蛋白（PR1）的抑制子NPR1由細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細胞核，這些證據(jù)均說明褪黑素作為SA的上游信號激活植物的抗病反應(yīng)鏈。SHI等[65]研究表明，DC3000侵染擬南芥后，能促進褪黑素和NO含量的提高，而外源褪黑素也能單獨誘導NO的產(chǎn)生；并且外源褪黑素與NO處理擬南芥均能增強其抗病性，并激活與SA信號相關(guān)的防御基因的表達。這說明NO作為褪黑素的下游信號，擔當?shù)诙攀沟慕巧?，溝通褪黑素與SA之間的信號網(wǎng)絡(luò)，激活植物的抗病調(diào)控系統(tǒng)。

植物除SA信號介導的抗病機制外，還包括表皮組織、細胞壁等組成的機械抗病機制、苯丙氨酸途徑介導的抗病機制等。ZHAO等[66]研究指出，外源褪黑素能夠下調(diào)表達擬南芥的轉(zhuǎn)化酶抑制因子，激活細胞壁轉(zhuǎn)化酶活性，促進蔗糖代謝，積累六碳糖。而褪黑素誘導的細胞壁轉(zhuǎn)化酶活性能通過合成纖維素、木糖和半乳糖來增加細胞壁的強度并促進胼胝質(zhì)在細胞壁的沉積，褪黑素通過改善細胞壁組成和結(jié)構(gòu)提高了植物的抗病性。另外，YIN等[67]發(fā)現(xiàn)，外源褪黑素能降低由盤二孢屬（Marssonina）引起的蘋果斑點病，其主要調(diào)控機理為褪黑素能維持發(fā)病后細胞內(nèi)的氧化還原狀態(tài)相對平衡，提高苯丙氨酸解氨酶、多酚氧化酶、幾丁質(zhì)酶、葡聚糖酶等相關(guān)病程防御酶類的活性。

5 褪黑素調(diào)控植物生長發(fā)育和抗逆性的信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡(luò)

圖1顯示，褪黑素促進植物生長主要通過增強IAA的生物合成，促進細胞的伸長和膨大，表現(xiàn)為誘導根系生長、側(cè)根和不定根發(fā)生、果實膨大等。雖然共為吲哚胺類化合物，但褪黑素與IAA卻不共用一套信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡(luò)[36]。褪黑素能抑制生長素拮抗轉(zhuǎn)錄因子IAA17的表達，而IAA17能阻斷生長素信號[30]；這相當于褪黑素間接放大了IAA信號。就這一點而言，褪黑素和IAA間并非絕對孤立，而是存在信號對話的。且筆者研究也表明，褪黑素在誘導番茄不定根發(fā)生過程中具有促進IAA極性運輸和感知的作用[35]。另外，褪黑素在種子發(fā)芽過程中可誘導GA合成并抑制ABA的合成[59]。GA的生理功效主要為促進生長和延遲衰老，而ABA則是衰老誘導類激素。但有關(guān)褪黑素、GA和ABA之間的關(guān)系目前僅限于發(fā)芽試驗，尚未有更多的結(jié)論支持其調(diào)控機制。結(jié)合褪黑素的抗氧化功能和IAA17抑制功能在植物抗衰老中的研究[30-31]，筆者認為，褪黑素延緩葉綠素降解，維持葉片組織內(nèi)部較好的氧化還原平衡，協(xié)同促進衰老拮抗類激素的功能是其抑制植物葉片衰老的主要調(diào)控機制。而健康的葉片能更好的進行光合作用，這又從碳營養(yǎng)的角度解釋了褪黑素促進植物生長，提高產(chǎn)量的生理機制。另一個有趣的問題是褪黑素能誘導番茄果實成熟過程中ETH的釋放，促進果實成熟，并提高商品品質(zhì)[27]。然而，ETH也是植物中的衰老誘導類激素，這似乎與前文提到的觀點存在矛盾。筆者推測，褪黑素在合成上的多途徑特性可能使其具有發(fā)育時期及組織器官的時空特異性，這需要從啟動子元件的構(gòu)成進行系統(tǒng)分析，并輔以試驗驗證。

環(huán)境脅迫和激素等多種刺激能夠誘導植物細胞產(chǎn)生多胺（Polyamine，PAs）和NO。而PAs和NO均為具有較強反應(yīng)活性的自由基，作為兩個活躍的小分子信號物質(zhì)，他們都容易得失電子。褪黑素能誘導低溫脅迫下胡蘿卜多胺的合成，并增強其抗寒性[45]。而褪黑素在誘導抗病性[65]、抗堿性[68]和生根[35]過程中均產(chǎn)生NO，且需要NO作為下游信號。筆者近年研究發(fā)現(xiàn)，在番茄系統(tǒng)誘導的多效抗性上，NO是PAs的下游信號，其能激活包含抗氧化系統(tǒng)在內(nèi)的多條植物抗逆信號通路[69]。這樣，就組成了目前的‘褪黑素→PAs→NO→SA→抗病基因→抗病性獲得’和‘褪黑素→PAs→NO→抗氧化系統(tǒng)→ROS清除→非生物脅迫抗性獲得’兩條信號通路。當然，褪黑素對細胞壁組織的機械強化[66]，褪黑素與ROS之間的接觸反應(yīng)[70]也為植物抗逆性狀的獲得做出了貢獻。另外，褪黑素可直接通過轉(zhuǎn)錄因子激活調(diào)控逆境相關(guān)功能基因的表達，如衰老交聯(lián)基因（SAGs）控制的衰老[31]；C-重復綁定因子（CBFs）和低溫響應(yīng)基因（COR15a）控制的耐冷性[49]；熱激因子（HSFAs）和熱激蛋白（HSPs）控制的耐熱性[41]；干旱響應(yīng)原件綁定因子（DREBs）和干旱脅迫抗性基因（CAMTA1）控制的耐旱性[49]；質(zhì)膜Na+/H+反向轉(zhuǎn)運體（SOS）、液泡膜Na+/H+反向轉(zhuǎn)運體（NHX）和Na+轉(zhuǎn)運體（HKT）控制的耐鹽堿性等[68]。綜上所述，褪黑素的這些信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡(luò)通路系統(tǒng)化的增強了植物的逆境抵抗能力，提高了逆境條件下植株的存活率和生長勢。

圖1 褪黑素調(diào)控植物生長發(fā)育和抗逆性的信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡(luò)Fig. 1 The signal transduction network of melatonin in plant growth, development and stress tolerance

6 結(jié)語與展望

雖然褪黑素廣泛存在于植物組織，但是褪黑素在植物體內(nèi)的含量仍然極低，且具有明顯的組織特異性。中國飲食文化中常用的煎、炸、炒、蒸、煮等工藝均不利于食物中褪黑素的保存，故以褪黑素營養(yǎng)獲得為主的食物源主要集中在適于鮮食的果蔬類園藝作物。但褪黑素在植物體內(nèi)是具有類似激素活性的物質(zhì)，利用基因編輯技術(shù)全面提升植株褪黑素含量可能會破壞植物自身褪黑素代謝的平衡，對植株的生長、發(fā)育帶來一些不良影響。據(jù)此，筆者提出兩點建議用于提升園藝作物褪黑素含量：①應(yīng)用組織特異型啟動子或誘導型啟動子結(jié)合褪黑素合成關(guān)鍵基因?qū)崿F(xiàn)園藝作物食用器官或特定發(fā)育時期的誘導表達。如利用果實特異啟動子可使褪黑素合成關(guān)鍵基因在果實中表達，在提高果實褪黑素含量的基礎(chǔ)上減少了褪黑素過量積累對植株的負面影響；再如利用化學誘導表達系統(tǒng)TetR結(jié)合褪黑素合成關(guān)鍵基因，在園藝產(chǎn)品采收前一段時間對其進行誘導表達，可提高采收后產(chǎn)品的褪黑素含量。②利用擬南芥突變體庫挖掘褪黑素過量積累型的突變體，定位該關(guān)鍵基因，采用CRISPRCas9對園藝作物進行靶向基因編輯，創(chuàng)制富含褪黑素的園藝新種質(zhì)。

褪黑素的研究對全球生態(tài)環(huán)境的改善有促進作用。在自然環(huán)境壓力巨大、生物脅迫頻繁爆發(fā)的園藝生產(chǎn)系統(tǒng)，褪黑素促生長和抗逆調(diào)控機理的研究及外源褪黑素在促進作物生長和提高抗性的成功案例必定會為園藝作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)做出重大貢獻。而褪黑素作為一種新型生長調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有高效、環(huán)保的特點，它的開發(fā)和利用可以大大促進園藝作物的健康生長，提高肥料利用率，降低病蟲害的發(fā)生及農(nóng)藥用量，可在中國化肥、農(nóng)藥使用零增長方案實施過程中發(fā)揮重要的作用，在促進園藝產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展方面具有較大的開發(fā)潛力。

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（責任編輯 趙伶俐）

Review of Melatonin in Horticultural Crops

GONG Biao, SHI QingHua
(College of Horticulture Science and Engineering, Shandong Agricultural University, State Key Laboratory of Crop Biology, Huang-Huai-Hai Region Scientific Observation and Experimental Station of Environment-Controlled Agricultural Engineering, Ministry of Agriculture, Tai’an 271018, Shandong)

Melatonin is a kind of indoleamine compound that is widely existed in organism. In animal, melatonin acts as a health care product for human and plays a role in the regulation of circadian rhythm, improving immunity and anti-aging. Melatonin has been detected in a number of plant species up to now. And the biosynthesis pathway of melatonin includes L-tryptophane, tryptamine, 5-hydroxytryptamine and N-acetyl-5-hydroxytryptamine. The key enzymes involving melatonin biosynthesis have been detected in plants, including L-tryptophan decarboxylase (TrpDC), tryptophan hydroxylase (T5H), serotonin-N- acetyltransferase (SNAcT), 5-serotonin-N-acetyltransferase (AcSNMT) and hydroxyindole-O-methyltransferase (HIOMT). The roles of melatonin in the horticultural crops kingdom are not clear enough. In recent years, several studies showed that melatonin has roles in regulating the growth of plants, increasing yield, activating seed germination, regulating photoperiod, regulating rhizogenesis, delaying leaf senescence, influencing fruit ripening and storage. The antioxidant properties of melatonin would seem to explain, at least partially,its ability to fortify plants reactive oxygen species (ROS) scavenging that subjected to stresses, such as light, temperature, water, saline-alkali, heavy metal and oxidative stress. In addition, melatonin also involves some signaling transduction pathways including auxin (IAA), gibberellic acid (GA), abscisic acid (ABA), ethene (ETH), salicylic acid (SA), polyamine (PAs) and nitric oxide (NO), which form a complicated signaling network of growth, development and stress tolerance in horticultural crops. Recent data on five fields of “the biosynthesis of melatonin in plants, the melatonin of horticultural crops and influence factor for their melatonin content; roles of melatonin in growth and development of horticultural crops; roles of melatonin in stress response of horticultural crops, signal transduction network of melatonin in plant growth, development and stress tolerance” were reviewed in this paper. And the values of melatonin in horticultural industry were also forecasted. This review presented a summary of the investigations in the plant melatonin field, and the potential functions of increasing melatonin content in horticultural crops were also predicted.

melatonin; horticultural crops; growth; development; stress response

2016-12-12；接受日期：2017-03-29

國家自然科學基金（31501779）、山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金（BS2014NY005）、中國博士后科學基金資助項目（2015M582130）、山東省博士后創(chuàng)新項目專項資金（201502006）

聯(lián)系方式：鞏彪，E-mail：gb_gongbiao@163.com。通信作者史慶華，E-mail：qhshi@sdau.edu.cn