褪黑素生物合成及其在植物逆境脅迫中的作用綜述

王薇薇， 沈 峰， 吳永成， 梅 燚， 祖艷俠， 陳長軍， 萬紅建， 鄭佳秋

(1.江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所，江蘇鹽城224002； 2.南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，江蘇南京 210095；3.浙江省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所，浙江杭州 310021)

褪黑素(melatonin)又名松果體素，化學名稱為-乙?；?5甲氧基色胺，是廣泛存在于動物和植物等有機體內(nèi)的一類重要的吲哚類化合物。早期的研究認為褪黑素是只存在于動物中的一種特有激素，具有調(diào)控晝夜節(jié)律、光周期反應、季節(jié)性生殖發(fā)育、增強免疫力、抗炎活性、延緩衰老、改善睡眠、治療神經(jīng)衰弱等作用。直到1995年，Dubbels等在番茄、黃瓜等多種植物中發(fā)現(xiàn)褪黑素的存在，才由此拉開了對植物褪黑素研究的序幕。而后，科研人員利用放射免疫法(RIA)、酶聯(lián)免疫法(ELISA)、高效液相色譜法(HPLC)等在一些谷物、蔬菜、水果及中藥植物中的根、莖、葉、果實中都檢測出褪黑素。隨著科技的進步，研究人員對植物褪黑素的研究也愈發(fā)深入，更多研究表明，盡管褪黑素在植物體內(nèi)含量微少，但卻在植物根系發(fā)育、種子發(fā)芽、葉片衰老以及果實成熟等生理活動的調(diào)節(jié)上發(fā)揮著重要作用。同時，褪黑素具有極強的抗氧化性和高效清除活性氧的能力，使其在對抗生物脅迫和非生物脅迫方面表現(xiàn)突出。

1 植物褪黑素的合成

褪黑素作為一種最早被認為是動物特有的激素，其在動物體內(nèi)的合成途徑已較為清晰，主要由松果腺細胞攝入色氨酸后再經(jīng)過4個連續(xù)的酶促反應后合成褪黑素。植物中褪黑素的生物合成途徑研究雖起步較晚，但近年來關(guān)于植物褪黑素合成途徑的報道越來越多。Murch 等通過同位素標記法，利用C標記的色氨酸體外供給貫葉連翹幼苗，檢測到代謝產(chǎn)物包括色胺、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-羥色胺是動物中合成褪黑素的前體物質(zhì)，由此推斷植物體內(nèi)可能具有和動物類似的褪黑素合成途徑。之后，Tan等研究發(fā)現(xiàn)，水葫蘆經(jīng)色氨酸處理后其體內(nèi)的褪黑素含量顯著增加，表明植物體內(nèi)的色氨酸能夠經(jīng)過代謝生成褪黑素。雖然都是由前體色氨酸經(jīng)酶促反應合成褪黑素，但是植物中的合成途徑要比動物中更為復雜，褪黑素在植物體內(nèi)存在多種合成途徑，涉及的酶分別是色氨酸脫羧酶 (TDC)、色氨酸羥化酶(TPH)、色氨-5-羥化酶 (T5H)、羥基色胺--乙酰轉(zhuǎn)移酶 (SNAT)、-乙酰血清素甲基轉(zhuǎn)移酶 (ASMT)和咖啡酸--甲基轉(zhuǎn)移酶(COMT)。在正常生長環(huán)境下，褪黑素在植物體內(nèi)主要通過色胺途徑合成：色氨酸在TDC的作用下轉(zhuǎn)化為色胺，再通過T5H將色胺羥化形成 5-羥色胺，隨后在SNAT 催化作用下生成-乙酰-5-羥色胺，最后被ASMT/COMT催化生成褪黑素。然而在一些特定情況下，褪黑素也可以通過其他替代路徑合成。如Ye等研究發(fā)現(xiàn)，水稻的根、莖中存在2種褪黑素合成路徑，正常生長條件下主要通過色胺途徑合成，但在Cd脅迫下則以Trp/TAM/5HT/5MT/MLT路徑合成為主。

2 褪黑素在植物逆境脅迫中的作用

2.1 溫度脅迫

溫度是影響作物生長發(fā)育與產(chǎn)量形成的關(guān)鍵環(huán)境因子之一，任何一種植物都有其生長的最適溫度。隨著全球氣候的變化，階段性、局部性低溫，嚴重高溫等極端天氣頻發(fā)，嚴重影響了植物的生長發(fā)育，導致農(nóng)作物嚴重減產(chǎn)。當環(huán)境溫度低于植株生長最低溫度時，不僅會造成植物的生長形態(tài)發(fā)生變化，包括葉片失水、葉片面積減小、萎蔫、失綠黃化、局部壞死等；也會影響植物的生殖生長，如開花延遲、開花數(shù)量減少、花粉粒數(shù)量減少、落花落果等。低溫脅迫也會導致植物的細胞膜通透性增加，膜上蛋白變性、解離，光合作用和呼吸作用降低，抗氧化酶系統(tǒng)被破壞，活性氧大量積累，細胞代謝紊亂，嚴重時會直接導致細胞和組織死亡。目前，褪黑素在提高植物對低溫脅迫抗性方面的研究已經(jīng)取得較大進展。Li等研究發(fā)現(xiàn)，外源褪黑素一方面可以提高茶樹超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)等抗氧化酶活性，另一方面也可通過誘導谷胱甘肽合成酶(CsGSHS)、谷胱甘肽還原酶(CsGR)、抗壞血酸過氧化物酶(CsAPX)相關(guān)基因的表達，提高谷胱甘肽酶(GSH)活性/氧化型谷胱甘肽酶(GSSG)活性的值，抑制活性氧(ROS)的積累，減輕膜系統(tǒng)傷害，從而減弱低溫對茶樹的傷害。在遭遇低溫脅迫后，褪黑素不僅能夠顯著增加擬南芥的鮮質(zhì)量、主根長和苗高，還可通過上調(diào)冷響應途徑的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子CBFs/DREBs和低溫應答基因的表達水平，誘導轉(zhuǎn)錄激活因子、和的表達，從而提高擬南芥的冷凍耐受性。此外，外源褪黑素可以提高甜瓜幼苗氮代謝酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，從而有效降低葉片銨態(tài)氮含量和膜質(zhì)過氧化水平，維持細胞滲透平衡。

高溫脅迫不僅能影響植物光合系統(tǒng)和碳同化相關(guān)蛋白/酶的活性，導致光合效率降低，還可抑制根系生長，造成水分、養(yǎng)分吸收受阻，植株早衰。此外，生殖期遭遇高溫脅迫還會造成植物花器官發(fā)育不良，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝和保護酶系統(tǒng)的紊亂。研究表明，高溫脅迫下葉面噴施外源褪黑素能增加植物體內(nèi)抗氧化物質(zhì)含量和抗氧化酶活性，降低膜質(zhì)過氧化水平，從而減輕高溫對幼苗造成的傷害。Li等研究發(fā)現(xiàn)，外源褪黑素通過增加兒茶素、茶氨酸、咖啡因生物合成相關(guān)基因的表達量調(diào)控亞高溫條件下茶樹的品質(zhì)，并促進其生物量的積累和光合作用。過表達能夠增加番茄內(nèi)源褪黑素的含量，不僅能使番茄中ROS水平降低，還能上調(diào)熱轉(zhuǎn)錄因子和熱休克蛋白基因的表達水平，從而使植株在熱脅迫下具有更好的生長表現(xiàn)。此外，Jahan等研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素可通過增加抗氧化酶活性，調(diào)節(jié)抗壞血酸(ASA)-GSH循環(huán)、抗氧化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平以及多胺(PAs)和一氧化氮(NO)的生物合成，清除過多的活性氧，從而有效降低高溫脅迫引起的氧化脅迫。

2.2 干旱脅迫

水分能夠參與并影響許多如形態(tài)學、生理學、生物化學、新陳代謝、轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學等生物進程，在植物生長、生產(chǎn)乃至生存過程中起到至關(guān)重要的作用。在干旱脅迫條件下，植物吸收水分困難，進而引發(fā)呼吸和光合作用速率降低、滲透失衡、膜系統(tǒng)受損等一系列不良反應，從而影響植株生長發(fā)育，嚴重時還能直接導致植株死亡。研究發(fā)現(xiàn)，添加外源褪黑素能夠調(diào)控氣孔的關(guān)閉，從而減少水分散失，緩解干旱脅迫對植株生長的抑制作用。Li等研究發(fā)現(xiàn)，干旱條件下褪黑素處理能增加脫落酸(ABA)分解代謝基因和的表達，抑制ABA合成基因的表達，引起植株內(nèi)的ABA含量降低。其次，提高抗氧化酶的活性能減少過氧化氫(HO)的積累。褪黑素通過降低ABA含量、抑制HO產(chǎn)生這2種機制協(xié)同工作改善氣孔的性能，使得植株在干旱條件維持正常的水分狀況。Qiao等研究發(fā)現(xiàn)，外源褪黑素可以促進玉米根系水通道蛋白基因(；，；，；，；)的轉(zhuǎn)錄水平，有利于植株維持較高的全株導水率和根系導水率，保持高的葉片含水量、氣孔導度和光合速率，從而提高玉米幼苗對干旱脅迫的耐受性。外源褪黑素還能增強玉米光合作用，減少活性氧積累，增加抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性和GSH含量。iTRAQ蛋白質(zhì)組學分析結(jié)果顯示，與對照相比，干旱脅迫下褪黑素處理的玉米用于光合生物固碳作用、光合作用、氨基酸和次生代謝物生物合成的差異表達蛋白(DEPs)豐度更高。

2.3 鹽堿脅迫

土壤鹽堿化嚴重限制了糧食作物的穩(wěn)產(chǎn)增收，是世界農(nóng)業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。土壤鹽堿化對植物的脅迫主要表現(xiàn)為離子毒害、滲透脅迫和氧化脅迫等。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過褪黑素處理后，黃瓜幼苗內(nèi)抗氧化酶活性和抗氧化物質(zhì)含量得到顯著提升，并且還有效抑制了幼苗體內(nèi)ROS的積累，從而提高了黃瓜幼苗對硝酸鹽脅迫的耐受性。外源褪黑素同樣能通過增強抗氧化酶活性、調(diào)節(jié)種子萌發(fā)過程中ABA和GA的生物合成和分解代謝來緩解NaCl脅迫對黃瓜種子萌發(fā)的抑制作用。Zeng等對用外源褪黑素處理油菜幼苗的研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的褪黑素一方面能通過增加油菜幼苗的抗氧化酶活性來提高其對HO的清除能力。另一方面，還能通過促進可溶性蛋白、脯氨酸、水溶性葡聚糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累來緩解滲透脅迫，最終促進根系發(fā)育，從而有效緩解鹽脅迫對油菜幼苗的傷害。此外，外源褪黑素還可以誘導脂氧合酶(LOX)、過氧羥基脂肪酸羥化環(huán)氧化酶(POX)、葉綠素生物合成基因()、絲裂原活化蛋白激酶褪黑素(Asmap1、Aspk11)，轉(zhuǎn)錄因子 (NAC、WRKY1、WRKY3、MYB) 的表達，從而提高裸燕麥幼苗的耐鹽性。Xu等研究表明，添加外源褪黑素可以通過“褪黑素--乙烯合成-耐鹽”途徑來增強葡萄的耐鹽性，即外源褪黑素通過誘導來激活ACS1的表達，以此促進乙烯的合成，從而增強葡萄對NaCl的耐受性。Yan等利用轉(zhuǎn)錄組測序和病毒誘導的基因沉默(VIGS)方法鑒定褪黑素誘導番茄耐鹽堿脅迫的關(guān)鍵下游轉(zhuǎn)錄因子DREB1α和IAA3，表明褪黑素可通過激活DREB1α和IAA3轉(zhuǎn)錄因子的表達進一步調(diào)控鹽堿脅迫下幼苗體內(nèi)的離子平衡、氣孔關(guān)閉、水分平衡、酸堿平衡和氧化還原平衡，從而提高番茄耐鹽堿能力。

2.4 重金屬脅迫

隨著工業(yè)化和城市化進程的加速，土壤重金屬污染問題日益嚴重。重金屬在土壤中難以降解，積累在土壤中，破壞土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)，改變植物的根際環(huán)境，影響植物的生理生化和生長發(fā)育，導致植物產(chǎn)量和品質(zhì)下降。同時，重金屬富集在植物體內(nèi)沿著食物鏈進入人體和動物體內(nèi)，對生命體的健康構(gòu)成威脅。因此，如何修復土壤重金屬污染，尋找有效緩解重金屬污染的方法，已成為亟待解決的難題。過量的重金屬會改變細胞膜透性，取代植物體內(nèi)的陽離子，與蛋白質(zhì)或酶上的-SH基結(jié)合，造成膜系統(tǒng)受損，電子傳遞受阻，破壞原有離子間的平衡，影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能以及抑制抗氧化酶活性等問題。褪黑素是植物中一種能協(xié)調(diào)重金屬脅迫的多效分子。Hasan等研究發(fā)現(xiàn)，外施褪黑素有效提高了幼苗的抗氧化酶和H-ATP酶活性，增強了幼苗內(nèi)谷胱甘肽、植物螯合肽、金屬硫蛋白、ABC轉(zhuǎn)運器合成基因的表達，進而增加番茄幼苗的生物量、光合效率和對Cd的耐受性。Xu等使用miRNA和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，使用褪黑素處理受到Cd脅迫的蘿卜幼苗可誘導基因的上調(diào)表達，從而增強蘿卜對Cd的耐受性。Nawaz等的研究表明，褪黑素預處理不僅可以減少釩從根部到莖的轉(zhuǎn)運，降低葉和莖的釩含量，還可通過上調(diào)褪黑素生物合成和SOD、CAT、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、GSH、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶(GST)相關(guān)基因的表達增強西瓜幼苗SOD、CAT活性，從而提高西瓜幼苗在釩脅迫下的葉綠素相對含量、光合作用能力和生長量。添加適宜濃度的褪黑素能提高大豆根系的抗氧化酶活性和檸檬酸鹽、蘋果酸鹽的分泌，從而緩解鋁脅迫對根系生長的抑制。此外，外源褪黑素還可通過提高光化學效率和增強滲透保護機制增強植物氧化應激防御，從而提高硒脅迫下油菜的生長和生物量積累。

2.5 抗病性

植物在生長過程中易遭受真菌、細菌和病毒引起的病害，導致生長不良，影響產(chǎn)量和品質(zhì)，嚴重時還會致使植株死亡。褪黑素作用于防御基因信號傳導途徑的上游，通過調(diào)控乙烯、NO、水楊酸(SA)和茉莉酸(JA)的合成來增強植物抗病性。研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素能夠激活轉(zhuǎn)錄，促進茉莉酸合成，最終提高梨果實對輪紋病的抵抗力。褪黑素還可通過提高POD、苯丙氨酸解氨酶(PAL)、幾丁質(zhì)酶和-1，3-葡聚糖酶的活性，從而增強感病品種冬紅果對褐斑病的抗性。類似的，褪黑素也可以通過上調(diào)苯丙素、甲羥戊酸(MVA)和棉酚途徑基因的表達，促進木質(zhì)素和棉酚的生物合成，從而增強棉花對黃萎病的抗性。不僅如此，褪黑素處理還能顯著下調(diào)、、的表達水平，降低相關(guān)基因啟動子的甲基化水平來提高基因的表達，從而降低葡萄果實灰霉病病菌菌絲生長、果實腐爛率。此外，對香蕉皮轉(zhuǎn)錄組和代謝組的聯(lián)合分析顯示，褪黑素處理能夠誘導香蕉皮中一系列代謝途徑相關(guān)基因的上調(diào)表達，導致細胞壁、蠟質(zhì)、脂質(zhì)和揮發(fā)性化合物含量顯著增加，從而顯著降低香蕉炭疽病發(fā)病率，延緩果實衰老。

3 結(jié)語與展望

自1995年首次在植物中檢測到褪黑素的存在，歷經(jīng)20多年，國內(nèi)外研究人員在植物褪黑素的生物合成、代謝及其調(diào)控植物生長發(fā)育和脅迫應答中作用機制方面的研究取得了顯著進展。植物褪黑素的合成機制與動物存在相似之處，但褪黑素在植物中的生物合成機制遠比動物復雜，涉及多種途徑，而且生物合成的調(diào)控機制也不相同。迄今為止，植物褪黑素生物合成的全方位途徑尚未完全闡明，還須進一步研究。褪黑素在動物體內(nèi)的代謝已經(jīng)被廣泛研究，而植物褪黑素代謝途徑研究仍處于起步階段。目前，-乙?；?-甲酰基-5-甲氧基尿嘧啶(AFMK)、2-羥基褪黑素、環(huán) 3-羥基褪黑素(c3OHM)被證實是植物褪黑素的代謝產(chǎn)物，這些代謝物的結(jié)構(gòu)與在動物中發(fā)現(xiàn)的相同，但代謝途徑與動物的不同，還有更多的代謝物及途徑須要進一步探究。此外，研究表明，褪黑素可以作為信號分子在逆境脅迫應答中發(fā)揮重要作用，然而對于植物如何感受褪黑素受體和信號轉(zhuǎn)導途徑仍未明確，這也將是褪黑素研究的一個重要方向。