植物褪黑素：兼具促进生长与安全防护功能

◎本报记者 赵汉斌

褪黑素是调节人类昼夜节律的神秘“守夜人”。在植物体内是否也存在褪黑素？它又能发挥哪些功能？

中国科学院西双版纳热带植物园研究员陈奇团队近日在国际学术期刊《植物生物学年鉴》发表了综述文章，系统揭示了植物褪黑素的合成、信号传导与功能调控奥秘，为农业生物技术的进步和作物稳产高产提供了新思路。

植物褪黑素拥有“双重身份”

1915年，科学家在哺乳动物的松果体中发现了褪黑素这种神秘物质。1958年，美国皮肤科医生亚伦·勒纳等确定其化学结构为N-乙酰基-5-甲氧基色胺。然而，植物褪黑素的面纱直到1995年才被揭开。当时多个团队在不同植物中检测到这一物质，开启了植物褪黑素研究的新纪元。

此后，陈奇团队发现植物首个褪黑素受体PMTR1。这一发现犹如一把打开植物褪黑素信号通路的大门钥匙，不仅填补了该领域研究的空白，更为深入解析植物褪黑素的生物学功能奠定了基础。

植物褪黑素的独特功能在于其“双重身份”，它既是生长促进剂，又是抗逆诱导因子。在正常生长条件下，褪黑素通过调控细胞分裂素信号通路，促进根系发育和叶片扩展，使作物在适宜环境中实现产量最大化。而当植物面临干旱、盐碱或病虫害等胁迫时，褪黑素水平迅速上升，激活热激蛋白和抗氧化酶系统，赋予植物超强抗逆能力。

以水稻为例，外源施加褪黑素能使盐碱胁迫下的根长增加40%，同时光合效率提高35%。这种“生长—抗逆协同增强”效应，颠覆了传统农业中“高产不抗逆”的矛盾认知，为培育兼具高产稳产的作物品种提供了全新思路。

解密植物褪黑素合成途径

“与动物褪黑素线性合成路径不同，植物褪黑素的合成途径更为复杂。”陈奇介绍，通过合成基因表达调节和细胞区室化作用，植物能够在不同生长条件下精细调控内源褪黑素水平。研究表明，植物褪黑素的合成途径跨越内质网、叶绿体、线粒体和细胞质等多个细胞器。这种空间分布的复杂性，使植物能够在不同生长阶段和环境条件下，通过细胞区室化策略，精准调控褪黑素水平。

如在干旱胁迫下，叶绿体中的褪黑素合成基因表达显著上调，植物迅速启动局部抗逆程序，以应对干旱带来的影响；而在正常生长条件下，细胞质中的合成通路则维持着基础激素水平，保证植物的正常生长。这种“按需分配”的合成模式，为植物在多变环境中保持生长与防御平衡提供了分子保障。

植物褪黑素受体PMTR1的发现，还揭开了防御信号传导的神秘面纱。

PMTR1通过与G蛋白偶联，可激活细胞内活性氧及钙离子信号中枢，进而在5分钟内触发丝裂原活化蛋白激酶级联反应。这一超快速信号传递机制，使植物能够在遭遇病原菌入侵或极端温度时，迅速启动防御程序。

更令人惊叹的是，PMTR1受体的激活具有“剂量依赖性智能调控”特征。当植物褪黑素处于低浓度时，它会促进气孔开放，保障植物能够充分进行光合作用，为生长提供能量；而当褪黑素浓度升高时，则会触发气孔关闭，帮助植物抵御干旱胁迫。这种双向调控机制，恰似植物体内的智能恒温器，在生长与抗逆之间实现动态平衡。

“褪黑素作为天然植物激素，其环境友好型特性使其在有机农业中具有巨大应用潜力。利用基因编辑技术精准调控褪黑素合成的关键基因，人们有望开发‘智能作物’。”陈奇介绍，通过开发褪黑素缓释纳米载体，可实现精准农业中的“按需施用”，有望减少化学农药使用量70%以上，为农业可持续发展注入绿色动力。随着研究的不断深入，褪黑素这把“金钥匙”或将开启更多农业生物技术的“暗盒”，为农业发展带来新的机遇。