雲南大學科研團隊解析褪黑素調控植物生物逆境脅迫的機制

Trends Plant Sci. | 雲南大學科研團隊解析褪黑素調控植物生物逆境脅迫的機制

責編 | 逸雲

褪黑素（N-乙醯基-5-甲氧基色胺，melatonin）是一種起源於35億年前原核細菌的古老分子，在細菌、真菌、原生生物、藻類、動物和植物等生物體中均普遍存在。目前的研究表明，褪黑素在植物中不僅可作為一種信號分子調控生長發育，還能抵禦各種生物和非生物脅迫，增強植物抗逆性。褪黑素具有極強的清除氧/氮自由基（ROS/RNS）的功能，並通過激發自由基清除的抗氧化酶系統間接清除ROS/RNS，進而增強植物非生物脅迫抗性。但褪黑素抵禦生物脅迫的機制尚不清晰。

近日，雲南大學生態與環境學院科研團隊與美國德克薩斯大學Russel J. Reiter教授合作在Trends in Plant Science發表了題為Phytomelatonin: an emerging regulator of plant biotic stress resistance的綜述文章，系統總結了褪黑素增強植物生物逆境脅迫抗性的功能、分子機制及演化路徑，並提出了褪黑素在今後農業生產中的應用潛力。

該文系統提出了褪黑素在植物抵禦真菌、細菌、病毒入侵及昆蟲啃食過程中的功能，表明褪黑素顯著增強了植物對生物脅迫的耐受能力。在生物逆境脅迫的初期，ROS/RNS提高褪黑素含量，褪黑素亦增加ROS/RNS水平，ROS和RNS也存在一定的相互促進作用。據此，該文提出病原菌感染初期，褪黑素、ROS和RNS相互促進，形成一個閉合的melatonin–ROS–RNS放大反應，從而促進植物對生物逆境的抗性。褪黑素通過激活其受體CAND2/PMTR1-MAPK信號轉導途徑及植物激素信號，直接提高植物在脅迫條件下的抗病反應。而在生物逆境的後期，褪黑素高效的清除體內過量的ROS和RNS，使植物恢復到正常的生長狀態。Melatonin–ROS–RNS反饋調節環、CAND2/PMTR1- MAPK cascades以及多數激素的產生均定位於葉綠體和線粒體上，在病原菌入侵的初期階段將抗病響應最大化，為植物細胞提供即刻就地保護。

在進化歷史上，褪黑素最早在生命誕生的原核生物中產生，褪黑素受體CAND2/PMTR1在原核藍藻中缺失，但在單細胞綠藻中開始演化；而MAPK 核心元件也在單細胞綠藻中首次演化，與褪黑素受體在相同的時間尺度上發生。褪黑素下遊激素信號途徑是在200個百萬年前隨著植物登陸而產生的，因此從原核生物開始至植物登陸，褪黑素抗生物脅迫信號途徑才正式完成武裝配置，實現了抵禦登陸後應對新環境中病原微生物的新能力。

ROS、 RNS和 melatonin 交互作用調控生物脅迫防禦與生長平衡

因此，該綜述深入分析了褪黑素在生物脅迫的作用機制，結合其在生長發育及非生物脅迫中的顯著效果，提出了褪黑素在農業生產中優產高產中具有極大的應用潛力。

雲南大學生態與環境學院/雲南省作物病蟲害生物防控工程技術研究中心趙大克博士和雲南生物資源保護與利用國家重點實驗室王后平博士為論文第一作者，德克薩斯大學健康科學中心 Russel J. Reiter教授為通訊作者。雲南大學陳穗雲教授和餘迪求研究員對本論文提出了啟發性建議並指導論文寫作。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.tplants.2020.08.009