褪黑素調控草類植物生長發育及抗逆性功能研究進展

張 昭, 聶宇婷, 崔凱倫, 呂艷貞, 閆慧芳*

(1. 青島農業大學草業學院, 山東 青島 266109; 2. 黃河三角洲草地資源與生態國家林業和草原局重點實驗室, 山東 青島 266109;3. 青島市灘涂鹽堿地特色植物種質創制與利用重點實驗室, 山東 青島 266109)

褪黑素即N-乙酰基-5-甲氧基色胺,是一種天然生物活性吲哚胺分子,廣泛存在于植物的種子、葉、果實、花和根等組織中,具有調控植物生長發育的功能[1]。褪黑素是一種抗氧化劑,能夠清除由非生物和生物脅迫誘導產生的過量活性氧(Reactive oxygen species,ROS),提高抗氧化防御能力,在植物應對干旱、鹽、重金屬、冷、熱、紫外線等逆境脅迫中發揮著重要保護作用[2]。此外,褪黑素還是一種信號分子,能夠通過激活脅迫應答基因的表達來增強植物對非生物和生物脅迫的抗性[3]。目前,關于褪黑素在傳統農作物、蔬菜等植物生長發育中的生理功能及在抗逆性方面的調控作用研究已較為深入,而其在草類植物中的相關研究卻非常有限。本文對近年來褪黑素調控草類植物生長發育及抗逆性的研究進行了總結,重點闡述了褪黑素在草類植物生長發育中的生理功能、非生物和生物脅迫響應中的調控作用,并對其在草類植物抗逆性功能研究和抗逆育種中的應用進行了展望,旨在為利用褪黑素提高草類植物抗逆性以及改善牧草品質提供參考依據。

1 褪黑素調控草類植物生長發育的生理功能

褪黑素作為一種生長調節劑和信號分子,參與調控植物生長發育涉及的多種生物過程,包括種子萌發、根系發育、葉片衰老、開花調節、果實成熟等[4]。

1.1 促進種子萌發

種子萌發是植物整個生命周期中最關鍵的階段,也是對環境因子響應最敏感的時期[5]。研究表明,褪黑素在提高種子活力和促進種子萌發方面具有重要作用[6]。外源褪黑素有效緩解了干旱脅迫對無芒雀麥(BromusinermisLeyss.)以及鹽脅迫對燕麥(AvenasativaL.)老化種子萌發造成的抑制,顯著提高了種子的發芽率,增加了幼苗游離脯氨酸和可溶性蛋白質含量,提高了超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性,降低了丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量[7-9],表明褪黑素對干旱脅迫、鹽脅迫和老化處理的種子發芽具有促進作用。外源褪黑素調控種子活力與萌發的生理功能具有濃度和時間依賴性。Yan等[10]采用不同濃度外源褪黑素引發燕麥老化種子,發現最適濃度200 μmol·L-1可通過抑制磷脂酶D表達和磷脂降解修復細胞超微結構,改善線粒體和細胞膜發育,進而增強抗壞血酸-谷胱甘肽(Ascorbic acid-glutathione,AsA-GSH)系統抗氧化能力,降低ROS含量,促進老化種子發芽和幼苗生長。而隨后在褪黑素引發不同時間研究中則發現,燕麥種子中12-氧-植物二烯酸還原酶積累,可能通過間接促進茉莉酸(Jasmonic acid,JA)合成,以信號分子參與種子對老化脅迫的氧化防御反應[11]。因此,外源褪黑素改善逆境脅迫和老化對種子萌發的抑制作用主要通過增強抗氧化防御能力、清除多余ROS和修復細胞結構來完成。

1.2 促進根系發育

植物根系發育可直接影響其對土壤水分和養分的吸收能力,發育良好的根增加了與土壤的接觸面積,有效地吸收營養物質。褪黑素作為一種植物激素或生長調節劑,以濃度依賴方式對根系結構發育起著重要調節作用,表現為低濃度促進初生根生長,而高濃度雖然抑制初生根生長,但促進側根發育[12-13]。研究發現,低濃度褪黑素(0.01 μmol·L-1)對擬南芥(Arabidopsisthaliana(L.) Heynh.)初生根伸長的促進作用與吲哚-3-乙酸(Indole-3-acetic acid,IAA)誘導的激素、細胞壁和發育通路相關基因過度表達有關,取決于IAA極性轉運的存在;而高濃度褪黑素(100～1 000 μmol·L-1)對初生根生長的抑制作用則與JA、油菜素類固醇(Brassinosteroids,BR)、細胞分裂素(Cytokinin,CTK)、生長素生物合成相關基因表達被抑制有關[14-15]。但是,高濃度褪黑素卻促進了擬南芥根系的側向發育,激活乙烯合成相關基因表達,并與其他激素結合調節鋅指蛋白(ZFP)、類鈣調蛋白(CML)和NAC基因表達,使IAA外排轉運,以抑制初生根生長并促進側根發育[16]。在擬南芥中,褪黑素可以使不定根增加2倍,側根增加3倍,而對根毛密度沒有影響[17]。褪黑素具有與IAA相似的結構和功能,兩者均以色氨酸作為前體物質,誘導白羽扇豆(LupinusalbusL.)中柱鞘細胞產生根原基,促進不定根和側根的形成[18]。因此,外源褪黑素可能被代謝為IAA或IAA促進劑,從而通過調節植物體內激素水平來促進根系發育[19]。

1.3 延緩葉片衰老

葉片是植物進行光合作用的主要場所,也是衰老比較敏感和容易發生的部位之一[20]。褪黑素作為一種強有力的抗氧化劑,具有延緩葉片衰老的重要作用[21]。Arnao等[22]研究外源褪黑素對緩解大麥(HordeumvulgareL.)葉片衰老的影響,發現葉片中葉綠素損失明顯減少,葉片衰老程度得到有效緩解。外源褪黑素還抑制了黑暗誘導的黑麥草(LoliumperenneL.)葉片衰老,使葉綠素降解與衰老相關基因(LpSAG12.1,Lph36和Lpl69)轉錄水平降低,葉綠素含量和光化學效率提高,離體葉片內源O2-產生速率和H2O2含量顯著降低,SOD、過氧化氫酶(Catalase,CAT)活性及轉錄水平增加,細胞膜穩定性保持良好[23]。由此可見,褪黑素主要通過抑制葉綠素降解、有效減緩光化學效率下降,調節ROS清除系統活性,并維持光系統完整性,從而延緩植物葉片衰老。

1.4 影響花發育及開花過程

植物開花是生命周期中的關鍵事件,也是營養生長向生殖生長過渡的重要標志[24]。褪黑素是一種黑暗信號分子,可通過葉片的光受體被傳導到頂端分生組織,進而誘導植物成花過程[19]。Zhang等[25]研究發現,褪黑素參與了擬南芥花期轉變時期獨腳金內酯(Strigolactone,SL)下游作用,通過調控開花抑制基因FLOWERINGLOCUSC(FLC)表達來延遲開花,但SL如何調節褪黑素合成機理仍不清楚。此外,DELLA蛋白可以通過不同遺傳途徑抑制植物開花,而褪黑素處理增加了兩種DELLAs蛋白RGA和RGL3的穩定性,并抑制開花基因SUPPRESSOROFOVEREXPRESSIONOFCONSTANT1(SOC1)和FLOWERINGLOCUST(FT)表達[26]。擬南芥中褪黑素水平降低與赤霉素合成減少有關,通過影響FT表達抑制開花,但褪黑素如何調節赤霉素合成還有待進一步研究[27]。Kolár等[28]研究則發現外源褪黑素參與了紅葉藜(ChenopodiumrubrumL.)向開花過渡的早期事件,影響了莖尖分生組織中開花的光周期誘導和后續發育過程。目前,關于褪黑素調控草類植物花發育和開花過程的研究還非常有限。

褪黑素作為植物生長調節因子,在草類植物中促進種子萌發、促進根系發育、延緩葉片衰老、調控花發育方面的生理功能研究均已被報道。此外,褪黑素還廣泛分布于植物果實中,對果實生長發育、采后成熟及調節晝夜節律等方面具有重要作用。然而,關于褪黑素調控草類植物果實(或種子)發育和晝夜節律的研究還未見報道(圖1)。

圖1 褪黑素調控草類植物生長發育的生理功能

2 褪黑素參與調控草類植物非生物脅迫響應

非生物脅迫是影響植物生長發育的重要限制因素,如高溫、寒冷、干旱、鹽堿、重金屬等,直接或間接影響了植物的生產潛力及營養品質。褪黑素不僅能調節植物的生長發育,還能參與調控植物對多種非生物脅迫的響應[13]。作為一種抗氧化劑,褪黑素通過有效清除脅迫誘導的大量ROS,提高抗氧化酶活性,從而增強植物抵抗逆境脅迫的能力[29]。研究表明,植物內源褪黑素含量在應對非生物脅迫時發生改變,并作為次級信使分子參與調控多種逆境脅迫應答[13]。

2.1 低溫脅迫

植物生長發育過程遭遇低溫寒冷條件將嚴重制約其物質代謝及生命活動事件,而褪黑素能夠調節植物對低溫脅迫的響應,在增強植物低溫耐受性方面發揮重要作用。葉片噴施100 μmol·L-1褪黑素顯著提高了低溫脅迫下多年生黑麥草的幼苗鮮重,降低了葉片相對電導率、MDA含量和ROS積累,提高了CAT、抗壞血酸過氧化物酶(Ascorbate peroxidase,APX)和谷胱甘肽還原酶(Glutathione reductase,GR)活性及脯氨酸和內源褪黑素水平,表明外源褪黑素緩解了低溫對幼苗造成的損害,增強其抗寒性[30]。Irshad[31]研究外源褪黑素對蒺藜苜蓿(MedicagotruncatulaGaertn.)抗寒性影響,發現褪黑素提高了硝酸還原酶活性、養分吸收能力、滲透物和葉綠素含量,降低了MDA含量,并通過增強抗氧化能力緩解了低溫脅迫造成的不利影響。褪黑素還提高了低溫脅迫下狗牙根(Cynodondactylon(L.) Pers.)的抗寒性,降低了其MDA含量和電解質滲漏,提高了葉綠素水平、SOD和過氧化物酶(Peroxidase,POD)活性,增加了糖類化合物(阿拉伯糖、甘露糖、吡喃葡萄糖、麥芽糖和吐魯糖)含量,并維持了細胞膜完整性[32]。由此可見,褪黑素在草類植物響應低溫脅迫中通過增強抗氧化防御系統功能、提高葉片光合效率、維持細胞膜完整性等增強了植物的耐低溫能力。

2.2 高溫脅迫

隨著全球氣候變暖,高溫脅迫也成為限制植物生長發育的重要非生物脅迫因子之一。植物生長季平均溫度每升高1℃,產量將降低17%[33]。前人先后開展了外源脫落酸(Abscisic acid,ABA)、水楊酸(Salicylic acid,SA)、乙烯、CaCl2等對高溫脅迫影響的緩解效果,證實了這些物質具有提高植物耐高溫性的作用[34-35]。近年來,褪黑素也被證明在增強植物對高溫脅迫抗性中發揮重要功能。Zhang等[36]研究發現,外源褪黑素抑制了多年生黑麥草衰老相關基因(LpSAG12.1和Lph36)、ABA生物合成基因(LpZEP,LpNCED1,LpABI3,LpABI5)表達,激活了CTK生物合成基因(LpIPT2和LpOG1)表達,使內源褪黑素和CTK含量升高,從而緩解了熱脅迫誘導的生長抑制和葉片衰老。褪黑素還改善了匍匐翦股穎(AgrostisstoloniferaL.)的耐熱性,降低了葉片脂質過氧化,提高了SOD,POD活性,改變了脂肪酸含量[37]。高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb.)為冷季型草坪草,不耐高溫,而褪黑素處理增加了其在熱應激條件下的葉綠素含量、總蛋白和抗氧化酶活性,降低了ROS,MDA含量及電解質滲漏,轉錄組分析發現FaHSFA3,FaAWPM和FaCYTC2顯著上調,表明這些基因可能是褪黑素的靶基因[38]。褪黑素通過提高抗氧化防御系統和光合作用系統效率,誘導高溫脅迫相關基因表達,有效緩解了熱應激對植物造成的損傷。

2.3 干旱脅迫

由全球氣候變暖導致的季節性干旱和地域性降水分布不均嚴重影響了植物從幼苗到開花結果的整個發育階段,引起植物生長受阻和發育遲緩等問題,進而制約農牧業的高效生產[39]。目前,干旱已成為全球范圍內限制植物生長的重要非生物脅迫因子。

褪黑素作為一種抗氧化劑,緩解了干旱脅迫對草類植物幼苗和植株帶來的損害。研究發現,葉片噴施褪黑素顯著改善了高羊茅苗期根系生長指標(表面積、平均直徑、長度、根系活力及側根數等),提高根冠比和干鮮比,降低葉片相對電導率及MDA含量,提高了幼苗抗旱性[40]。葉片噴施褪黑素還顯著提升了干旱脅迫下達烏里胡枝子(Lespedezadavurica(Laxm.) Schindl.)幼苗的地上鮮重、葉片相對含水量、可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量,表明褪黑素通過改善葉片水分生理提高了幼苗的抗旱性[41]。同樣,葉面噴施褪黑素使多年生黑麥草葉片相對電導率和MDA顯著下降,SOD,POD,CAT活性及抗氧化能力顯著提高,根和葉片中氮、磷含量增加,表明褪黑素對干旱脅迫下多年生黑麥草抗氧化和養分吸收能力具有一定調節作用[42]。紫花苜蓿(MedicagosativaL.)幼苗和植株的抗旱性也在施用褪黑素后得到明顯改善,增強了抗氧化酶活性、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量,抑制MDA、ROS和活性氮(Reactive nitrogen species,RNS)積累,降低了膜脂過氧化程度,改變了ROS、RNS和脯氨酸代謝相關基因(MsGST7、MsGST17、MsNaDde、MsADH)的轉錄水平以調控氮氧平衡和脯氨酸代謝[39,43]。褪黑素還增強了草類植物種子萌發期的抗旱性,如褪黑素浸種顯著提高了模擬干旱條件下多年生黑麥草種子的發芽勢和發芽率[44]。此外,褪黑素對愈傷組織再生能力具有一定影響,如添加褪黑素誘發了模擬干旱脅迫下溝葉結縷草(Zoysiamatrella(L.) Merr.)愈傷組織再生過程中不同抗氧化酶的響應,提高了長期繼代培養愈傷組織再生能力[45]。因此,褪黑素能夠通過改善根系生長、改善葉片水分生理、提高抗氧化能力、調控氮氧平衡、調節營養物質吸收等過程增強草類植物對干旱脅迫的適應性。

2.4 水澇脅迫

水澇災害嚴重威脅植物的生長及產量形成。植物體內,褪黑素與乙烯之間存在拮抗作用,通過抑制乙烯生物合成,從而提高植物對水澇脅迫的適應性[46]。紫花苜蓿在水澇脅迫下的碳水化合物和氨基酸代謝相關途徑被激活,乙烯含量顯著增加,而適宜濃度外源褪黑素緩解了植株的澇害癥狀,促進多胺合成,降低乙烯含量,增強細胞膜穩定性,提高光合效率,表明褪黑素通過調控乙烯合成減輕了水澇脅迫對紫花苜蓿的傷害,并增強了其耐澇性[47-48]。目前,關于褪黑素調節草類植物耐澇性的報道還非常有限,未來研究可以探索褪黑素在其他重要草類植物(如燕麥、黑麥草、狗牙根等)響應水澇脅迫中的調控作用。

2.5 鹽脅迫

鹽脅迫是限制全球農業生產的最主要環境因子,通過滲透脅迫、離子毒害、營養失衡、氧化還原穩態破壞、光合效能受阻等影響植物生長發育,而褪黑素具有改善鹽脅迫下種子萌發、幼苗生長和植株發育的功能[49]。研究發現,褪黑素浸種提高了鹽脅迫下紫花苜蓿種子的抗氧化酶活性和滲透調節物質含量,降低了脂質過氧化產物MDA含量,增強了鹽脅迫下的種子萌發能力[50]。鹽脅迫還降低了紫花苜蓿幼苗葉片抗氧化能力和光合作用效率,而外源褪黑素則顯著提高了葉片POD、SOD活性,降低了相對電導率、MDA含量,增加了葉綠素a含量、葉綠素b含量、凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率,表明褪黑素通過提高抗氧化能力和光合作用效率增強了紫花苜蓿幼苗的耐鹽性[51-52]。相似結果在褪黑素提高扁穗雀麥(BromuscatharticusVahl.)幼苗耐鹽性研究中也被報道[53]。褪黑素還增強了鹽脅迫下紫花苜蓿幼苗的1-氨基環丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid,ACC)和1-氨基環丙烷-1-羧酸氧化酶(1-aminocyclopropane-1-carboxylate oxidase,ACO)含量,表明紫花苜蓿耐鹽性增強可能與褪黑素調控乙烯生物合成密切相關[54]。此外,過表達褪黑素生物合成關鍵基因也提高了植物耐鹽性,如過表達耐鹽植物白穎苔草(Carexrigescens(Franch.) V.Krecz.)CrCOMT的轉基因擬南芥中褪黑素含量增加,鹽脅迫下植株的側根數、脯氨酸含量及葉綠素含量均顯著提高[55];分別過表達綿羊AANAT和HIOMT的轉基因柳枝稷(PanicumvirgatumL.)植株中褪黑素含量顯著提高,對鹽脅迫的耐受性增強[56]。因此,褪黑素在一定程度上緩解了鹽脅迫對草類植物造成的損害,通過調節抗氧化功能、光合性能及激素水平增強了植物抵抗鹽脅迫的能力。

2.6 重金屬脅迫

隨著現代化城市和工業化進程的快速發展,土壤重金屬污染問題已日趨嚴重。重金屬脅迫抑制了植物體內的酶活性,破壞了蛋白質結構,從而使植物出現生長緩慢、植株矮小、產量降低及根系伸長受阻等現象,嚴重時甚至導致植物死亡[57]。研究表明,褪黑素及其前體物質能夠與鋁(Al3+)、銅(Cu2+)、鎘(Cd2+)、鉛(Pb2+)等重金屬離子通過螯合作用形成螯合物,從而緩解或消除重金屬離子對細胞和生物大分子的傷害[58]。Gu等[59]研究發現,Cd2+脅迫誘導紫花苜蓿根中積累內源褪黑素,而外源褪黑素處理則減少了Cd2+積累,誘導Cd2+轉運相關基因表達,維持氧化還原平衡,緩解了Cd2+脅迫對紫花苜蓿生長的影響。同樣,噴施褪黑素提高了多年生黑麥草的光合作用,降低了氧化損傷,增加了根中Cd2+螯合態,降低Cd2+向葉片中轉移并有效緩解了Cd2+脅迫造成的傷害[60]。Xie等[61]研究褪黑素對Pb2+污染土壤中狗牙根光合性能和抗氧化能力的影響,發現葉片光合色素和葉綠體超微結構得到修復,光合作用和光化學效率得到提高,抗壞血酸(Ascorbic acid,AsA)、還原型谷胱甘肽(Glutathione,GSH)、GSH/GSSG氧化還原狀態、AsA-GSH和乙二醛酶系統關鍵酶活性均被改善,生物量得到提升。此外,外源褪黑素還緩解了Pb2+脅迫對狗牙根種子萌發的抑制作用,提高了種子發芽率[62]。由此可見,褪黑素在草類植物響應重金屬離子脅迫時可作為一種良好的保護劑。

2.7 黑暗脅迫

植物長期處于黑暗條件下會導致ROS過度積累和抗氧化清除系統功能減弱,嚴重影響植物的光合性能和生長發育,而褪黑素能夠有效緩解黑暗誘導的植物葉片衰老。Zhang等[23]用外源褪黑素處理黑暗條件下的多年生黑麥草離體成熟葉片,發現葉片仍保持顯著更高的內源褪黑素水平、葉綠素含量、光化學效率和細胞膜穩定性,增加了SOD、CAT酶活性和轉錄水平,而降低了葉綠素降解相關基因和衰老標記基因(LpSAG12.1,Lph36和Lpl69)的轉錄表達,表明褪黑素可能通過激活抗氧化酶活性和抑制葉綠素降解來緩解黑暗誘導的葉片衰老。目前,關于褪黑素調節草類植物黑暗脅迫響應的報道還非常有限,其相關調控作用及機制還有待進一步研究。

2.8 電離和紫外輻射脅迫

電離和紫外輻射等脅迫導致植物形態結構發生變化,尤其長期強紫外輻射會引發植物細胞膜脂過氧化,產生過量ROS,造成DNA損傷和有絲分裂異常,最終影響植物正常生長發育及生理生化代謝[63]。褪黑素作為一種抗氧化劑,無論內源合成還是外源施加,均能幫助植物清除ROS,減緩電離、紫外輻射誘導的損傷[64]。Afreen等[1]研究發現,高強度UV-B輻射刺激甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)根部合成褪黑素,在一定程度上緩解了UV-B輻射對植物造成的影響。過表達褪黑素合成基因NsSNAT和NsCOMT減緩了UV-B輻射對林煙草(NicotianasylvestrisSpeg. &Comes)的脅迫損傷[65]。此外,Yao等[66]研究發現,外源和內源褪黑素均可調節擬南芥的UV-B信號通路,通過改變通路中AtCOP1,AtHY5,AtHYH和AtRUP1/2基因表達以抵御UV-B誘導的脅迫,調節植物抗氧化防御功能。因此,作為一種抗氧化劑,褪黑素在植物抵御電離和紫外輻射脅迫中發揮了重要作用。

褪黑素是一種重要的吲哚分子,參與調控植物各種發育過程和脅迫響應[67]。前人研究報道了褪黑素參與草類植物的非生物脅迫響應,其相關調控作用包括4方面:①作為抗氧化劑清除自由基。褪黑素具有極強的清除能力,可以直接清除ROS,也可以通過增強其他抗氧化酶活性間接清除多余ROS,維持細胞氧化還原動態平衡[68]。②提高草類植物光合效率。褪黑素參與調控編碼葉綠體轉錄機制基因、維持轉錄活性和葉綠體功能狀態基因的表達,從而調節葉綠體功能以提供有效的光氧化應激保護[69]。③調控植物激素信號。褪黑素通過參與調節IAA,ABA,CTK,JA,乙烯等激素合成代謝在植物響應高溫、鹽等脅迫中發揮作用[36,54]。④調控脅迫相關基因表達。褪黑素調控草類植物非生物脅迫抗性相關基因包括衰老標記基因(LpSAG12.1,Lph36,Lpl69)、ABA生物合成基因(LpZEP,LpNCED1,LpABI3,LpABI5),CTK生物合成基因(LpIPT2,LpOG1)[36]、脯氨酸代謝相關基因(MsGST7,MsGST17,MsNaDde,MsADH)[42]、抗氧化基因(AtAPX1,AtCATs)[70]等。因此,褪黑素通過多種作用方式從多層面協調發揮功能,參與草類植物的非生物脅迫響應(表1)。

表1 褪黑素參與調控草類植物非生物脅迫響應的作用機制

3 褪黑素參與調控草類植物生物脅迫響應

自然界中多種病原菌以植物作為潛在寄主,包括細菌、真菌和病毒等,它們時刻威脅著植物的生長發育,嚴重的甚至導致減產,造成經濟損失[72]。據報道,動物體內褪黑素有助于產生先天免疫,并調節多種生理功能[73]。近年來,隨著植物褪黑素研究的不斷深入,其在植物抵抗多種病原菌上也發揮重要功能[74]。

3.1 細菌侵染

細菌能夠突破植物免疫監控而侵入宿主體內,通過分泌系統將效應蛋白運送到宿主細胞直接攻擊植物或運送到環境中間接影響植物[75]。目前,已有研究證實褪黑素可以提高植物對細菌的局部耐受性。郭苗杰[75]研究褪黑素在丁香假單胞桿菌侵染擬南芥的抗菌功能中發現,褪黑素可通過促進AGD2樣防御反應蛋白 1(ALD1)、SA誘導缺陷 2(SID2)、系統性獲得性抗性缺陷 1(SARD1)和鈣調素結合蛋白 60 g(CBP60 g)防御基因的表達,將防御信號傳遞給SA下游PR1、PR5基因,增強擬南芥局部防御細菌的能力。此外,褪黑素還通過MAPK級聯反應、誘導NO產生來增強擬南芥抵御丁香假單胞桿菌侵染的抗性[76-77]。

3.2 真菌侵染

真菌種類繁多,常見的有灰霉菌、蕓薹根腫菌、銹菌等[78]。近年來,褪黑素被報道具有提高植物對真菌耐受性的作用。祝穎[79]研究發現,灰霉菌侵染引起擬南芥ROS爆發,內源褪黑素含量增加并促進JA產生,從而保護植物免受灰霉菌的損傷,表明內源褪黑素提高了擬南芥對灰霉菌的防御能力。此外,研究還發現外源褪黑素處理降低了擬南芥根部蕓薹根腫菌孢子囊數目和發病程度,提高了JA途徑中PR3、PR4基因和SA途徑中PR1、PR2、PR5基因表達,表明外源褪黑素提高擬南芥對蕓薹根腫菌的抗性主要通過JA和SA信號途徑完成[80]。因此,內源和外源褪黑素均能以激素信號形式調節相關基因表達,從而在植物抵抗生物脅迫中發揮重要作用。

3.3 病毒侵染

病毒是由核酸和蛋白質外殼構成的病原體,依靠寄生在宿主內存活。目前,能夠侵染植物的常見病毒有煙草花葉病毒、苜蓿花葉病毒、黃瓜花葉病毒等,其中煙草花葉病毒是研究較多的一種植物病毒[81]。褪黑素被發現可以增強植物對病毒的抗性,如褪黑素通過提高抗氧化酶活性、減輕過氧化損傷增強了埃及茄科植物對苜蓿花葉病毒侵染的抵抗能力[82],褪黑素與NO協同作用提高了水稻(OryzasativaL.)對水稻條紋病毒的抗性[83]。然而,有關褪黑素增強草類植物對病毒抗性的研究還未見報道,尤其紫花苜蓿、燕麥、羊草(Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.)、高羊茅、草地早熟禾(PoapratensisL.)等重要牧草和草坪草。因此,在未來研究中,可以關注褪黑素在這些草類植物抗病中的作用。

4 展望

植物褪黑素含量極低,但其在植物應對各種非生物脅迫(干旱、鹽、低溫、高溫、重金屬等)和生物脅迫中卻發揮著至關重要的作用[30,36,45,50,61,80]。隨著植物褪黑素研究的不斷深入,其調控植物生長發育的生理功能及作用機制也被逐漸揭示。然而,相比于傳統農作物和經濟作物,褪黑素調控草類植物生長發育及抗逆性功能的研究還非常有限,仍存在一些需要深入探究和解決的問題。

4.1 褪黑素調控草類植物生長發育的生理作用需深入探究

作為植物生長調節劑,褪黑素在促進種子萌發、促進根系發育、延緩葉片衰老、影響花發育及開花過程等方面研究取得重要進展,但其調控草類植物晝夜節律、果實(或種子)發育等機制尚不明晰。此外,褪黑素與其他植物激素相互作用的信號途徑仍不清楚。因此,未來研究仍需進一步探究并解析褪黑素與其他植物激素協同調控草類植物生長發育的作用機制。

4.2 褪黑素調控草類植物抗逆性的功能及信號通路需進一步明確

褪黑素參與調控草類植物應對極端溫度[30-32,36-38]、干旱[39-43,45]、水澇[46-47]、鹽[50-54,71]、重金屬[61]、黑暗[23]、電離和紫外輻射[1,64-66]等非生物脅迫以及細菌[75-77]、真菌[79-80]感染等生物脅迫的研究均已被報道,其作用機制也得到部分揭示。然而,褪黑素在增強草類植物調節營養失衡、防御病毒感染方面的研究還未見報道,尤其在紫花苜蓿、燕麥、高羊茅等重要牧草和草坪草中。植物應對生物脅迫時,褪黑素能夠通過水楊酸、茉莉酸、MAPK、NO信號途徑誘導防御相關基因表達,未來可重點開展其在植物應對非生物脅迫時誘導抗性相關基因表達的具體信號通路方面的研究。

4.3 褪黑素合成基因的功能研究與其在抗逆新品種培育中應用需融合發展

過表達褪黑素生物合成基因可顯著提高植物內源褪黑素水平,增強轉基因植株對多種逆境脅迫的抗性[55-56,65]。隨著測序技術的快速發展,利用現代分子育種手段調控草類植物褪黑素生物合成基因表達,適度范圍內提高褪黑素含量,改善草類植物品質及對重要環境因子的抗性。因此,結合傳統育種理論和經驗,培育高褪黑素含量的新品種是一個具有挑戰性的新方向,將對草類植物抗逆新品種培育具有重要意義。