植物褪黑素：兼具促進生長與安全防護功能

◎本報記者 趙漢斌

褪黑素是調節人類晝夜節律的神秘“守夜人”。在植物體內是否也存在褪黑素？它又能發揮哪些功能？

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《植物生物學年鑑》發表了綜述文章，系統揭示了植物褪黑素的合成、信號傳導與功能調控奧秘，為農業生物技術的進步和作物穩產高產提供了新思路。

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現了褪黑素這種神秘物質。1958年，美國皮膚科醫生亞倫·勒納等確定其化學結構為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。當時多個團隊在不同植物中檢測到這一物質，開啓了植物褪黑素研究的新紀元。

此後，陳奇團隊發現植物首個褪黑素受體PMTR1。這一發現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於其“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，褪黑素通過調控細胞分裂素信號通路，促進根系發育和葉片擴展，使作物在適宜環境中實現產量最大化。而當植物面臨乾旱、鹽鹼或病蟲害等脅迫時，褪黑素水平迅速上升，激活熱激蛋白和抗氧化酶系統，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鹼脅迫下的根長增加40%，同時光合效率提高35%。這種“生長—抗逆協同增強”效應，顛覆了傳統農業中“高產不抗逆”的矛盾認知，為培育兼具高產穩產的作物品種提供了全新思路。

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複雜。”陳奇介紹，通過合成基因表達調節和細胞區室化作用，植物能夠在不同生長條件下精細調控內源褪黑素水平。研究表明，植物褪黑素的合成途徑跨越內質網、葉綠體、線粒體和細胞質等多個細胞器。這種空間分佈的複雜性，使植物能夠在不同生長階段和環境條件下，通過細胞區室化策略，精準調控褪黑素水平。

如在乾旱脅迫下，葉綠體中的褪黑素合成基因表達顯著上調，植物迅速啓動局部抗逆程序，以應對乾旱帶來的影響；而在正常生長條件下，細胞質中的合成通路則維持着基礎激素水平，保證植物的正常生長。這種“按需分配”的合成模式，為植物在多變環境中保持生長與防禦平衡提供了分子保障。

植物褪黑素受體PMTR1的發現，還揭開了防禦信號傳導的神秘面紗。

PMTR1通過與G蛋白偶聯，可激活細胞內活性氧及鈣離子信號中樞，進而在5分鐘內觸發絲裂原活化蛋白激酶級聯反應。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温度時，迅速啓動防禦程序。

更令人驚歎的是，PMTR1受體的激活具有“劑量依賴性智能調控”特徵。當植物褪黑素處於低濃度時，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，則會觸發氣孔關閉，幫助植物抵禦乾旱脅迫。這種雙向調控機制，恰似植物體內的智能恆温器，在生長與抗逆之間實現動態平衡。

“褪黑素作為天然植物激素，其環境友好型特性使其在有機農業中具有巨大應用潛力。利用基因編輯技術精準調控褪黑素合成的關鍵基因，人們有望開發‘智能作物’。”陳奇介紹，通過開發褪黑素緩釋納米載體，可實現精準農業中的“按需施用”，有望減少化學農藥使用量70%以上，為農業可持續發展注入綠色動力。隨着研究的不斷深入，褪黑素這把“金鑰匙”或將開啓更多農業生物技術的“暗盒”，為農業發展帶來新的機遇。