張 昭, 聶宇婷, 崔凱倫, 呂艷貞, 閆慧芳*

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 山東 青島 266109; 2. 黃河三角洲草地資源與生態(tài)國家林業(yè)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(zhì)創(chuàng)制與利用重點實驗室, 山東 青島 266109)

褪黑素即N-乙?；?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(diào)控植物生長發(fā)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(dǎo)產(chǎn)生的過量活性氧(Reactive oxygen species,ROS),提高抗氧化防御能力,在植物應(yīng)對干旱、鹽、重金屬、冷、熱、紫外線等逆境脅迫中發(fā)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(yīng)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(guān)于褪黑素在傳統(tǒng)農(nóng)作物、蔬菜等植物生長發(fā)育中的生理功能及在抗逆性方面的調(diào)控作用研究已較為深入,而其在草類植物中的相關(guān)研究卻非常有限。本文對近年來褪黑素調(diào)控草類植物生長發(fā)育及抗逆性的研究進行了總結(jié),重點闡述了褪黑素在草類植物生長發(fā)育中的生理功能、非生物和生物脅迫響應(yīng)中的調(diào)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(yīng)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(zhì)提供參考依據(jù)。

1 褪黑素調(diào)控草類植物生長發(fā)育的生理功能

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

1.1 促進種子萌發(fā)

種子萌發(fā)是植物整個生命周期中最關(guān)鍵的階段,也是對環(huán)境因子響應(yīng)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(fā)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(fā)造成的抑制,顯著提高了種子的發(fā)芽率,增加了幼苗游離脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)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(fā)芽具有促進作用。外源褪黑素調(diào)控種子活力與萌發(fā)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(fā)燕麥老化種子,發(fā)現(xiàn)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(fù)細胞超微結(jié)構(gòu),改善線粒體和細胞膜發(fā)育,進而增強抗壞血酸-谷胱甘肽(Ascorbic acid-glutathione,AsA-GSH)系統(tǒng)抗氧化能力,降低ROS含量,促進老化種子發(fā)芽和幼苗生長。而隨后在褪黑素引發(fā)不同時間研究中則發(fā)現(xiàn),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(yīng)[11]。因此,外源褪黑素改善逆境脅迫和老化對種子萌發(fā)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(fù)細胞結(jié)構(gòu)來完成。

1.2 促進根系發(fā)育

植物根系發(fā)育可直接影響其對土壤水分和養(yǎng)分的吸收能力,發(fā)育良好的根增加了與土壤的接觸面積,有效地吸收營養(yǎng)物質(zhì)。褪黑素作為一種植物激素或生長調(diào)節(jié)劑,以濃度依賴方式對根系結(jié)構(gòu)發(fā)育起著重要調(diào)節(jié)作用,表現(xiàn)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(cè)根發(fā)育[12-13]。研究發(fā)現(xiàn),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(dǎo)的激素、細胞壁和發(fā)育通路相關(guān)基因過度表達有關(guān),取決于IAA極性轉(zhuǎn)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(guān)基因表達被抑制有關(guān)[14-15]。但是,高濃度褪黑素卻促進了擬南芥根系的側(cè)向發(fā)育,激活乙烯合成相關(guān)基因表達,并與其他激素結(jié)合調(diào)節(jié)鋅指蛋白(ZFP)、類鈣調(diào)蛋白(CML)和NAC基因表達,使IAA外排轉(zhuǎn)運,以抑制初生根生長并促進側(cè)根發(fā)育[16]。在擬南芥中,褪黑素可以使不定根增加2倍,側(cè)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(jié)構(gòu)和功能,兩者均以色氨酸作為前體物質(zhì),誘導(dǎo)白羽扇豆(LupinusalbusL.)中柱鞘細胞產(chǎn)生根原基,促進不定根和側(cè)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(diào)節(jié)植物體內(nèi)激素水平來促進根系發(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)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(dǎo)的黑麥草(LoliumperenneL.)葉片衰老,使葉綠素降解與衰老相關(guān)基因(LpSAG12.1,Lph36和Lpl69)轉(zhuǎn)錄水平降低,葉綠素含量和光化學(xué)效率提高,離體葉片內(nèi)源O2-產(chǎn)生速率和H2O2含量顯著降低,SOD、過氧化氫酶(Catalase,CAT)活性及轉(zhuǎn)錄水平增加,細胞膜穩(wěn)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(xué)效率下降,調(diào)節(jié)ROS清除系統(tǒng)活性,并維持光系統(tǒng)完整性,從而延緩植物葉片衰老。

1.4 影響花發(fā)育及開花過程

植物開花是生命周期中的關(guān)鍵事件,也是營養(yǎng)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(dǎo)到頂端分生組織,進而誘導(dǎo)植物成花過程[19]。Zhang等[25]研究發(fā)現(xiàn),褪黑素參與了擬南芥花期轉(zhuǎn)變時期獨腳金內(nèi)酯(Strigolactone,SL)下游作用,通過調(diào)控開花抑制基因FLOWERINGLOCUSC(FLC)表達來延遲開花,但SL如何調(diào)節(jié)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(wěn)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(guān),通過影響FT表達抑制開花,但褪黑素如何調(diào)節(jié)赤霉素合成還有待進一步研究[27]。Kolár等[28]研究則發(fā)現(xiàn)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(dǎo)和后續(xù)發(fā)育過程。目前,關(guān)于褪黑素調(diào)控草類植物花發(fā)育和開花過程的研究還非常有限。

褪黑素作為植物生長調(diào)節(jié)因子,在草類植物中促進種子萌發(fā)、促進根系發(fā)育、延緩葉片衰老、調(diào)控花發(fā)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(fā)育、采后成熟及調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律等方面具有重要作用。然而,關(guān)于褪黑素調(diào)控草類植物果實(或種子)發(fā)育和晝夜節(jié)律的研究還未見報道(圖1)。

圖1 褪黑素調(diào)控草類植物生長發(fā)育的生理功能

2 褪黑素參與調(diào)控草類植物非生物脅迫響應(yīng)

非生物脅迫是影響植物生長發(fā)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(chǎn)潛力及營養(yǎng)品質(zhì)。褪黑素不僅能調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育,還能參與調(diào)控植物對多種非生物脅迫的響應(yīng)[13]。作為一種抗氧化劑,褪黑素通過有效清除脅迫誘導(dǎo)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(nèi)源褪黑素含量在應(yīng)對非生物脅迫時發(fā)生改變,并作為次級信使分子參與調(diào)控多種逆境脅迫應(yīng)答[13]。

2.1 低溫脅迫

植物生長發(fā)育過程遭遇低溫寒冷條件將嚴重制約其物質(zhì)代謝及生命活動事件,而褪黑素能夠調(diào)節(jié)植物對低溫脅迫的響應(yīng),在增強植物低溫耐受性方面發(fā)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(dǎo)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(nèi)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(fā)現(xiàn)褪黑素提高了硝酸還原酶活性、養(yǎng)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(zhì)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(yīng)低溫脅迫中通過增強抗氧化防御系統(tǒng)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(fā)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(chǎn)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(zhì)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(fā)揮重要功能。Zhang等[36]研究發(fā)現(xiàn),外源褪黑素抑制了多年生黑麥草衰老相關(guān)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(nèi)源褪黑素和CTK含量升高,從而緩解了熱脅迫誘導(dǎo)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(zhì)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(yīng)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(zhì)滲漏,轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)FaHSFA3,FaAWPM和FaCYTC2顯著上調(diào),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(tǒng)和光合作用系統(tǒng)效率,誘導(dǎo)高溫脅迫相關(guān)基因表達,有效緩解了熱應(yīng)激對植物造成的損傷。

2.3 干旱脅迫

由全球氣候變暖導(dǎo)致的季節(jié)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(jié)果的整個發(fā)育階段,引起植物生長受阻和發(fā)育遲緩等問題,進而制約農(nóng)牧業(yè)的高效生產(chǎn)[39]。目前,干旱已成為全球范圍內(nèi)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(fā)現(xiàn),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(cè)根數(shù)等),提高根冠比和干鮮比,降低葉片相對電導(dǎo)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(dǎo)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(yǎng)分吸收能力具有一定調(diào)節(jié)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(guān)基因(MsGST7、MsGST17、MsNaDde、MsADH)的轉(zhuǎn)錄水平以調(diào)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(fā)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(fā)芽勢和發(fā)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(fā)了模擬干旱脅迫下溝葉結(jié)縷草(Zoysiamatrella(L.) Merr.)愈傷組織再生過程中不同抗氧化酶的響應(yīng),提高了長期繼代培養(yǎng)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(diào)控氮氧平衡、調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)吸收等過程增強草類植物對干旱脅迫的適應(yīng)性。

2.4 水澇脅迫

水澇災(zāi)害嚴重威脅植物的生長及產(chǎn)量形成。植物體內(nèi),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(yīng)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(guān)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(wěn)定性,提高光合效率,表明褪黑素通過調(diào)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(guān)于褪黑素調(diào)節(jié)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(yīng)水澇脅迫中的調(diào)控作用。

2.5 鹽脅迫

鹽脅迫是限制全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最主要環(huán)境因子,通過滲透脅迫、離子毒害、營養(yǎng)失衡、氧化還原穩(wěn)態(tài)破壞、光合效能受阻等影響植物生長發(fā)育,而褪黑素具有改善鹽脅迫下種子萌發(fā)、幼苗生長和植株發(fā)育的功能[49]。研究發(fā)現(xiàn),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(diào)節(jié)物質(zhì)含量,降低了脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA含量,增強了鹽脅迫下的種子萌發(fā)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)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(huán)丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid,ACC)和1-氨基環(huán)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(diào)控乙烯生物合成密切相關(guān)[54]。此外,過表達褪黑素生物合成關(guān)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(zhuǎn)基因擬南芥中褪黑素含量增加,鹽脅迫下植株的側(cè)根數(shù)、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(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(xiàn)代化城市和工業(yè)化進程的快速發(fā)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(nèi)的酶活性,破壞了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),從而使植物出現(xiàn)生長緩慢、植株矮小、產(chǎn)量降低及根系伸長受阻等現(xiàn)象,嚴重時甚至導(dǎo)致植物死亡[57]。研究表明,褪黑素及其前體物質(zhì)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(fā)現(xiàn),Cd2+脅迫誘導(dǎo)紫花苜蓿根中積累內(nèi)源褪黑素,而外源褪黑素處理則減少了Cd2+積累,誘導(dǎo)Cd2+轉(zhuǎn)運相關(guān)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(tài),降低Cd2+向葉片中轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)葉片光合色素和葉綠體超微結(jié)構(gòu)得到修復(fù),光合作用和光化學(xué)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(tài)、AsA-GSH和乙二醛酶系統(tǒng)關(guān)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(fā)的抑制作用,提高了種子發(fā)芽率[62]。由此可見,褪黑素在草類植物響應(yīng)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(dǎo)致ROS過度積累和抗氧化清除系統(tǒng)功能減弱,嚴重影響植物的光合性能和生長發(fā)育,而褪黑素能夠有效緩解黑暗誘導(dǎo)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(fā)現(xiàn)葉片仍保持顯著更高的內(nèi)源褪黑素水平、葉綠素含量、光化學(xué)效率和細胞膜穩(wěn)定性,增加了SOD、CAT酶活性和轉(zhuǎn)錄水平,而降低了葉綠素降解相關(guān)基因和衰老標記基因(LpSAG12.1,Lph36和Lpl69)的轉(zhuǎn)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(dǎo)的葉片衰老。目前,關(guān)于褪黑素調(diào)節(jié)草類植物黑暗脅迫響應(yīng)的報道還非常有限,其相關(guān)調(diào)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(dǎo)致植物形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,尤其長期強紫外輻射會引發(fā)植物細胞膜脂過氧化,產(chǎn)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(fā)育及生理生化代謝[63]。褪黑素作為一種抗氧化劑,無論內(nèi)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(dǎo)的損傷[64]。Afreen等[1]研究發(fā)現(xiàn),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(fā)現(xiàn),外源和內(nèi)源褪黑素均可調(diào)節(jié)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(dǎo)的脅迫,調(diào)節(jié)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(fā)揮了重要作用。

褪黑素是一種重要的吲哚分子,參與調(diào)控植物各種發(fā)育過程和脅迫響應(yīng)[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(yīng),其相關(guān)調(diào)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(tài)平衡[68]。②提高草類植物光合效率。褪黑素參與調(diào)控編碼葉綠體轉(zhuǎn)錄機制基因、維持轉(zhuǎn)錄活性和葉綠體功能狀態(tài)基因的表達,從而調(diào)節(jié)葉綠體功能以提供有效的光氧化應(yīng)激保護[69]。③調(diào)控植物激素信號。褪黑素通過參與調(diào)節(jié)IAA,ABA,CTK,JA,乙烯等激素合成代謝在植物響應(yīng)高溫、鹽等脅迫中發(fā)揮作用[36,54]。④調(diào)控脅迫相關(guān)基因表達。褪黑素調(diào)控草類植物非生物脅迫抗性相關(guān)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(guān)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(xié)調(diào)發(fā)揮功能,參與草類植物的非生物脅迫響應(yīng)(表1)。

表1 褪黑素參與調(diào)控草類植物非生物脅迫響應(yīng)的作用機制

3 褪黑素參與調(diào)控草類植物生物脅迫響應(yīng)

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(fā)育,嚴重的甚至導(dǎo)致減產(chǎn),造成經(jīng)濟損失[72]。據(jù)報道,動物體內(nèi)褪黑素有助于產(chǎn)生先天免疫,并調(diào)節(jié)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(fā)揮重要功能[74]。

3.1 細菌侵染

細菌能夠突破植物免疫監(jiān)控而侵入宿主體內(nèi),通過分泌系統(tǒng)將效應(yīng)蛋白運送到宿主細胞直接攻擊植物或運送到環(huán)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(fā)現(xiàn),褪黑素可通過促進AGD2樣防御反應(yīng)蛋白 1(ALD1)、SA誘導(dǎo)缺陷 2(SID2)、系統(tǒng)性獲得性抗性缺陷 1(SARD1)和鈣調(diào)素結(jié)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(lián)反應(yīng)、誘導(dǎo)NO產(chǎn)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(fā)現(xiàn),灰霉菌侵染引起擬南芥ROS爆發(fā),內(nèi)源褪黑素含量增加并促進JA產(chǎn)生,從而保護植物免受灰霉菌的損傷,表明內(nèi)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(fā)現(xiàn)外源褪黑素處理降低了擬南芥根部蕓薹根腫菌孢子囊數(shù)目和發(fā)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(nèi)源和外源褪黑素均能以激素信號形式調(diào)節(jié)相關(guān)基因表達,從而在植物抵抗生物脅迫中發(fā)揮重要作用。

3.3 病毒侵染

病毒是由核酸和蛋白質(zhì)外殼構(gòu)成的病原體,依靠寄生在宿主內(nèi)存活。目前,能夠侵染植物的常見病毒有煙草花葉病毒、苜?；ㄈ~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(fā)現(xiàn)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?；ㄈ~病毒侵染的抵抗能力[82],褪黑素與NO協(xié)同作用提高了水稻(OryzasativaL.)對水稻條紋病毒的抗性[83]。然而,有關(guān)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(guān)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(yīng)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(fā)揮著至關(guān)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(diào)控植物生長發(fā)育的生理功能及作用機制也被逐漸揭示。然而,相比于傳統(tǒng)農(nóng)作物和經(jīng)濟作物,褪黑素調(diào)控草類植物生長發(fā)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(diào)控草類植物生長發(fā)育的生理作用需深入探究

作為植物生長調(diào)節(jié)劑,褪黑素在促進種子萌發(fā)、促進根系發(fā)育、延緩葉片衰老、影響花發(fā)育及開花過程等方面研究取得重要進展,但其調(diào)控草類植物晝夜節(jié)律、果實(或種子)發(fā)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(xié)同調(diào)控草類植物生長發(fā)育的作用機制。

4.2 褪黑素調(diào)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(diào)控草類植物應(yīng)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(diào)節(jié)營養(yǎng)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(yīng)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(dǎo)防御相關(guān)基因表達,未來可重點開展其在植物應(yīng)對非生物脅迫時誘導(dǎo)抗性相關(guān)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(yīng)用需融合發(fā)展

過表達褪黑素生物合成基因可顯著提高植物內(nèi)源褪黑素水平,增強轉(zhuǎn)基因植株對多種逆境脅迫的抗性[55-56,65]。隨著測序技術(shù)的快速發(fā)展,利用現(xiàn)代分子育種手段調(diào)控草類植物褪黑素生物合成基因表達,適度范圍內(nèi)提高褪黑素含量,改善草類植物品質(zhì)及對重要環(huán)境因子的抗性。因此,結(jié)合傳統(tǒng)育種理論和經(jīng)驗,培育高褪黑素含量的新品種是一個具有挑戰(zhàn)性的新方向,將對草類植物抗逆新品種培育具有重要意義。