褪黑素是調(diào)節(jié)人類晝夜節(jié)律的神秘“守夜人”。在植物體內(nèi)是否也存在褪黑素？它又能發(fā)揮哪些功能？

中國科學院西雙版納熱帶植物園研究員陳奇團隊近日在國際學術期刊《植物生物學年鑒》發(fā)表了綜述文章，系統(tǒng)揭示了植物褪黑素的合成、信號傳導與功能調(diào)控奧秘，為農(nóng)業(yè)生物技術的進步和作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供了新思路。

1.植物褪黑素擁有“雙重身份”

1915年，科學家在哺乳動物的松果體中發(fā)現(xiàn)了褪黑素這種神秘物質(zhì)。1958年，美國皮膚科醫(yī)生亞倫·勒納等確定其化學結構為N-乙?；?5-甲氧基色胺。然而，植物褪黑素的面紗直到1995年才被揭開。當時多個團隊在不同植物中檢測到這一物質(zhì)，開啟了植物褪黑素研究的新紀元。

此后，陳奇團隊發(fā)現(xiàn)植物首個褪黑素受體PMTR1。這一發(fā)現(xiàn)猶如一把打開植物褪黑素信號通路的大門鑰匙，不僅填補了該領域研究的空白，更為深入解析植物褪黑素的生物學功能奠定了基礎。

植物褪黑素的獨特功能在于其“雙重身份”，它既是生長促進劑，又是抗逆誘導因子。在正常生長條件下，褪黑素通過調(diào)控細胞分裂素信號通路，促進根系發(fā)育和葉片擴展，使作物在適宜環(huán)境中實現(xiàn)產(chǎn)量最大化。而當植物面臨干旱、鹽堿或病蟲害等脅迫時，褪黑素水平迅速上升，激活熱激蛋白和抗氧化酶系統(tǒng)，賦予植物超強抗逆能力。

以水稻為例，外源施加褪黑素能使鹽堿脅迫下的根長增加40%，同時光合效率提高35%。這種“生長—抗逆協(xié)同增強”效應，顛覆了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中“高產(chǎn)不抗逆”的矛盾認知，為培育兼具高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的作物品種提供了全新思路。

2.解密植物褪黑素合成途徑

“與動物褪黑素線性合成路徑不同，植物褪黑素的合成途徑更為復雜。”陳奇介紹，通過合成基因表達調(diào)節(jié)和細胞區(qū)室化作用，植物能夠在不同生長條件下精細調(diào)控內(nèi)源褪黑素水平。研究表明，植物褪黑素的合成途徑跨越內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、葉綠體、線粒體和細胞質(zhì)等多個細胞器。這種空間分布的復雜性，使植物能夠在不同生長階段和環(huán)境條件下，通過細胞區(qū)室化策略，精準調(diào)控褪黑素水平。

如在干旱脅迫下，葉綠體中的褪黑素合成基因表達顯著上調(diào)，植物迅速啟動局部抗逆程序，以應對干旱帶來的影響；而在正常生長條件下，細胞質(zhì)中的合成通路則維持著基礎激素水平，保證植物的正常生長。這種“按需分配”的合成模式，為植物在多變環(huán)境中保持生長與防御平衡提供了分子保障。

植物褪黑素受體PMTR1的發(fā)現(xiàn)，還揭開了防御信號傳導的神秘面紗。

PMTR1通過與G蛋白偶聯(lián)，可激活細胞內(nèi)活性氧及鈣離子信號中樞，進而在5分鐘內(nèi)觸發(fā)絲裂原活化蛋白激酶級聯(lián)反應。這一超快速信號傳遞機制，使植物能夠在遭遇病原菌入侵或極端溫度時，迅速啟動防御程序。

更令人驚嘆的是，PMTR1受體的激活具有“劑量依賴性智能調(diào)控”特征。當植物褪黑素處于低濃度時，它會促進氣孔開放，保障植物能夠充分進行光合作用，為生長提供能量；而當褪黑素濃度升高時，則會觸發(fā)氣孔關閉，幫助植物抵御干旱脅迫。這種雙向調(diào)控機制，恰似植物體內(nèi)的智能恒溫器，在生長與抗逆之間實現(xiàn)動態(tài)平衡。

“褪黑素作為天然植物激素，其環(huán)境友好型特性使其在有機農(nóng)業(yè)中具有巨大應用潛力。利用基因編輯技術精準調(diào)控褪黑素合成的關鍵基因，人們有望開發(fā)‘智能作物’?！标惼娼榻B，通過開發(fā)褪黑素緩釋納米載體，可實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)中的“按需施用”，有望減少化學農(nóng)藥使用量70%以上，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展注入綠色動力。隨著研究的不斷深入，褪黑素這把“金鑰匙”或?qū)㈤_啟更多農(nóng)業(yè)生物技術的“暗盒”，為農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來新的機遇。