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(xué)院西雙版納熱帶植物園研究員陳奇團(tuán)隊(duì)近日在國際學(xué)術(shù)期刊《植物生物學(xué)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(dǎo)與功能調(diào)控奧秘，為農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的進(jìn)步和作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供了新思路。

1.植物褪黑素?fù)碛小半p重身份”

1915年，科學(xué)家在哺乳動(dòng)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(xué)結(jié)構(gòu)為N-乙酰基-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(dāng)時(shí)多個(gè)團(tuán)隊(duì)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(jì)元。

此后，陳奇團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)植物首個(gè)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(bǔ)了該領(lǐng)域研究的空白，更為深入解析植物褪黑素的生物學(xué)功能奠定了基礎(chǔ)。

植物褪黑素的獨(dú)特功能在于其“雙重身份”，它既是生長促進(jìn)劑，又是抗逆誘導(dǎo)因子。在正常生長條件下，褪黑素通過調(diào)控細(xì)胞分裂素信號通路，促進(jìn)根系發(fā)育和葉片擴(kuò)展，使作物在適宜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量最大化。而當(dāng)植物面臨干旱、鹽堿或病蟲害等脅迫時(shí)，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(qiáng)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(shí)光合效率提高35%。這種“生長—抗逆協(xié)同增強(qiáng)”效應(yīng)，顛覆了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中“高產(chǎn)不抗逆”的矛盾認(rèn)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(dòng)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(fù)雜?！标惼娼榻B，通過合成基因表達(dá)調(diào)節(jié)和細(xì)胞區(qū)室化作用，植物能夠在不同生長條件下精細(xì)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(xì)胞質(zhì)等多個(gè)細(xì)胞器。這種空間分布的復(fù)雜性，使植物能夠在不同生長階段和環(huán)境條件下，通過細(xì)胞區(qū)室化策略，精準(zhǔn)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(dá)顯著上調(diào)，植物迅速啟動(dòng)局部抗逆程序，以應(yīng)對干旱帶來的影響；而在正常生長條件下，細(xì)胞質(zhì)中的合成通路則維持著基礎(chǔ)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(dǎo)的神秘面紗。

PMTR1通過與G蛋白偶聯(lián)，可激活細(xì)胞內(nèi)活性氧及鈣離子信號中樞，進(jìn)而在5分鐘內(nèi)觸發(fā)絲裂原活化蛋白激酶級聯(lián)反應(yīng)。這一超快速信號傳遞機(jī)制，使植物能夠在遭遇病原菌入侵或極端溫度時(shí)，迅速啟動(dòng)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(dāng)植物褪黑素處于低濃度時(shí)，它會促進(jìn)氣孔開放，保障植物能夠充分進(jìn)行光合作用，為生長提供能量；而當(dāng)褪黑素濃度升高時(shí)，則會觸發(fā)氣孔關(guān)閉，幫助植物抵御干旱脅迫。這種雙向調(diào)控機(jī)制，恰似植物體內(nèi)的智能恒溫器，在生長與抗逆之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jī)農(nóng)業(yè)中具有巨大應(yīng)用潛力。利用基因編輯技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)控褪黑素合成的關(guān)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的“按需施用”，有望減少化學(xué)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(dòng)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(shù)的“暗盒”，為農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來新的機(jī)遇。