植物褪黑素的研究进展 陈贤 杨勇 刘凤权摘要：褪黑素（melatonin，简称MT）是生物进化中一种保守的胺类激素，广泛存在于动物、植物及微生物体内在植物中，褪黑素在调控植物生长和提高植物响应环境胁迫等方面发挥重要的作用本文从植物褪黑素的发现、分子结构及化学性质、植物褪黑素的合成与分解代谢等方面进行了归纳与总结，重点阐述了褪黑素在植物生长与发育中的生理功能及在植物抗逆抗病中的调控作用，并对未来植物褪黑素的研究方向进行了展望关键词：植物褪黑素;分子结构;化学性质;生理功能;环境胁迫： S184 文献标志码： A ：1002-1302（2020）24-0017-08褪黑素，化学名称为N-乙酰基-5-甲氧基色胺（N-acetyl-5- methoxytryptamine），一類广泛存在于生物体内的吲哚类小分子化合物自1995年褪黑素在许多高等植物体内相继被检测出来之后，出现了大量有关褪黑素在植物领域的研究[1-2]其研究内容涉及：植物褪黑素的分离及提取方法、植物褪黑素含量在体内昼夜节律变化、植物褪黑素的合成途径、植物褪黑素潜在的生物学功能[3]最初，植物褪黑素的研究工作主要围绕其抗氧化剂特性而展开。
随着首个植物褪黑素受体的鉴定，为证实褪黑素是一种新型植物激素提供了最为直接的有力证据[4]鉴于此，本文综述了褪黑素在植物体内的发现、分子结构及其功能，以期为褪黑素在植物生产中的应用提供参考1 植物褪黑素的发现褪黑素是一种生命必需的吲哚胺类激素，广泛存在于动物、植物及微生物体内[5-7]褪黑素最早发现于动物的松果体中在1917年，美国学者McCord和Allen利用丙酮法萃取牛的松果体，发现提取液中含有某种未知物质可使小蝌蚪皮肤颜色由黑色变成浅白色[8]在1959年，耶鲁大学皮肤学教授Lerner利用紫外分光光度计结合乙酸乙酯萃取法首次从牛的松果体中成功分离并鉴定这种未知物质，并将这种松果体激素取名为褪黑素[9]其实，Lerner教授将其命名为褪黑素（melatonin）是个组合词字首mela取自黑色素（melamin），因为褪黑素可使黑色素细胞发亮，后缀tonin取自5-羟色胺（serotonin），因为褪黑素是从5-羟色胺衍生而来褪黑素作为一种广为人知的动物激素，对许多生理活动的调节起着重要的作用[10]以至于在很长的一段时间内，大家认为褪黑素是动物专有的一种神经激素虽然在1959年，美国国立卫生研究院Udenfriend等在植物中鉴定到5-羟色胺（serotonin），一个参与动物褪黑素合成的关键中间体[11]。
直到1995年，日本圣玛丽安娜医科大学Hattori和德国不来梅大学Dubbels首次发现植物体内含有褪黑素Hattori等利用放射免疫（RIA）技术和HPLC技术检测了24个可食用的植物，包括：菠菜、黄瓜、猕猴桃、白菜、白萝卜、胡萝卜、苹果、草莓、番茄、大米、大麦、燕麦、玉米、芋头、芦笋、大葱、菠萝及高羊茅等，发现它们体内都含有褪黑素，其中高羊茅中褪黑素含量最高[（5 288.1368.3） pg/g]，芦笋中褪黑素含量最低[（9.53.2） pg/g][2]Dubbels等利用放射免疫（RIA）技术和气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术检测9种植物叶片中褪黑素的含量，其中香蕉中褪黑素的含量为47 ng/100 g，番茄中褪黑素的含量为25 ng/100 g，黄瓜中褪黑素的含量为9 ng/100 g，而红头菜中褪黑素的含量最低（01 ng/100 g）[1]这2项几乎同时发表的研究成果拉开了植物褪黑素的研究序幕据NCBI（National Center for Biotechnology Information）网站统计（图1），在1995—2010年，植物褪黑素相关论文的年发表量为15.44篇/年;到2011年，植物褪黑素相关论文的年发表量进入快速持续增长的阶段。
在2019年，植物褪黑素相关论文的年发表量达到最大值（152篇）即便在全球新冠疫情的影响下，2020年前5个月中植物褪黑素相关论文的发表量为72篇截至2020年5月，植物褪黑素相关论文的发表总量为996篇，其中包括我国学者发表的328篇2 植物褪黑素的分子结构与化学性质褪黑素是一个以色氨酸为前体经过酶促反应合成的小分子吲哚胺类化合物，分子式C13H16N2O2，分子量为232.27，CAS号为73-31-4褪黑素的分子结构式含有一个吲哚环、一个甲氧基及一个酰胺基（图2）酰胺基团带负电荷，可与三氟乙酸（trifluoroacetic acid，简称TFA）发生蓝色颜色反应，形成TFA衍生物[12]吲哚环是芳香杂环类化合物，包含1个六元苯环和1个五元含氮的吡咯环的双环结构褪黑素中吲哚环结构赋予其高亲脂性，而甲氧基和乙酰基赋予其疏水性，所以褪黑素能自由穿梭细胞膜系统，并易于进入细胞核[13]甲氧基具有吸电子的诱导效应和供电子共轭效应，其中供电子的共轭效应占主导地位褪黑素结构中的甲氧基及吲哚环均表现为电子供体，而这些特性赋予其以电子供体的形式与自由基发生化学反应褪黑素是生命体重要自由基清除剂之一，具有抗氧化的分子特性。
在1991年，Ianǐ等首次发现褪黑素参与氧化还原反应过程，接着Poeggeler等在1993年证实褪黑素清除自由的能力是谷胱甘肽（GSH）的4倍、甘露醇的14倍[14-15]褪黑素的抗氧化作用，一方面是因为它可以提供电子、氢原子、亚硝基化以及置换、加成等方式与ROS及NOS发生直接作用，包括：羟自由基（OH）、过氧化氢（HO-2）、过氧烷自由基（RO-2）、过氧亚硝基（ONOO-）、超氧阴离子（O-2）及一氧化氮自由基（NO）等[16]不仅褪黑素具有自由基清除功能，其与自由基反应的中间产物也参与了活性氧自由基的清除反应在这种联合反应作用下，1分子褪黑素可以清除10个自由基团[17]另一方面，褪黑素不仅直接参与抗氧化级联反应，也通过调控抗氧化系统的酶活性间接调控活性氧的清除反应[18]例如，褪黑素能显著诱导抗氧化酶的活性，包括CAT、SOD、GSH-Px等[19-20]因此，褪黑素具有保护细胞器和延缓衰老的作用褪黑素可抑制革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌的增殖[21]褪黑素对引起乳房炎的无乳链球菌生长具有明显的抑制作用，最小剂量为 2 μg/mL[22]褪黑素对引起肠道炎的金黄色葡萄球菌和对引起菌血症的铜绿假单胞菌等增殖具有明显的抑制作用，最小剂量在31.25～125 μg/mL之间[21]。
褪黑素对引起肠胃炎的鼠伤寒沙门氏菌和对引起食物中毒的普通变形杆菌等生长有抑制作用，最小剂量为100 mg/mL[23]褪黑素对引起水稻细菌性条斑病的稻生黄单胞菌条斑致病变种具有抑制作用，最小剂量200 μg/mL[24]褪黑素可以结合游离的铁离子和锌离子，可阻止细胞摄取脂肪酸及抑制细菌组成型外分泌蛋白的合成与分泌[25-26]褪黑素是否通过结合金属离子、干扰细菌代谢来抑制病原菌的生长，有待进一步研究3 植物褪黑素的合成与代谢植物褪黑素合成途径分为经典途径和非经典途徑[27-28]在经典途径中，植物褪黑素的合成与动物途径中褪黑素的合成路径相似褪黑素合成前体色氨酸经历色氨酸脱羧酶（Tryptophan decarboxylase，TDC）、色胺-5-羟化酶（tryptamine-5-hydroxylase，简称T5H）、5-羟色胺-N-乙酰基转移酶（serotonin N-acetyltransferase，简称SNAT）及N-乙酰基-5-羟色胺-甲基转移酶（N-acetylserotonin methyltransferase，简称ASMT）等4个连续的酶促反应合成褪黑素[29]第一步：色氨酸脱羧酶（TDC）催化色氨酸（tryptophan）转化为色胺（tryptamine），其中TDC为褪黑素合成途径的限速酶[30-31]。
TDC定位于细胞质和叶绿体上[32]TDC参与叶片的衰老过程在水稻过量表达TDC能增强褪黑素的合成，并延缓叶片的衰老;敲除TDC后，叶片则表现为早衰现象[33-34]对辣椒叶片接种炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）可增强TDC的转录水平，推测TDC可能参与植物防御病原菌的侵染过程[35]第二步：色胺-5-羟化酶（T5H）催化色胺转化为5-羟色胺（serotonin）[36]T5H定位于内质网上，在植物体内保持较高的酶活性[37-38]在新鲜叶片中，5-羟色胺的含量可高达1 600 μg/g，而褪黑素的含量约为5-羟色胺的0.000 1%（第三步：5-羟色胺-N-乙酰基转移酶（SNAT）催化5-羟色胺转化为N-乙酰基-5-羟色胺[42]SANT定位于叶绿体中，高温和黑暗环境能提高SANT酶的活性和增强褪黑素的合成[34，42]黄酮类化合物莫林和杨梅素可通过抑制SANT酶活性来调控褪黑素的合成[43]在过表达SANT的转基因植物中，其株系不但表现为增强对冷害胁迫的耐受性和对氧化胁迫的抗性，而且能通过激活水杨酸（salicylic acid，简称SA）和茉莉酸（jasmonic acid，简称JA）信号途径增强植物的防御能力[44]。
第四步：N-乙酰基-5-羟色胺-甲基转移酶（ASMT）催化N-乙酰基-5-羟色胺最终转化成褪黑素[45]ASMT定位于细胞质中[42]与SANT酶类似，高温和黑暗环境均能提高ASMT酶活性和增强褪黑素的合成[34]在过表达ASMT转基因苜蓿中，植物株高增加、叶片扩大和茎秆变粗壮，其体内的纤维素含量增多[46]脱落酸（abscisic acid，简称ABA）和茉莉酸甲酯（methyl jasmonate，简称MeJA）均能诱导ASMT的表达，暗示ABA和MeJA可能参与调控褪黑素的合成[40]在非经典途径中，植物中有1个以色氨酸合成5羟色胺的支路和1个以5-羟色胺合成褪黑素的支路在贯叶连翘中，色氨酸通过色氨酸-5-羟化酶（TPH）催化合成5-羟色胺，后者在色氨酸脱羧酶（TDC）或芳香-L-氨基酸脱羧酶（AADC）的催化作用下合成5-羟色胺[31]在拟南芥中，5-羟色胺经ASMT酶催化合成5-甲氧基色胺，后者在SNAT酶的催化作用下合成褪黑素[47]在植物合成路径中，由色氨酸转化合成5-羟色胺的效率较高，而由5羟色胺转化合成褪黑素的效率较低最终导致植物体内5-羟色胺含量很高，而褪黑素含量相对较低[28]。
相对于合成代谢，褪黑素分解代谢在植物中研究得较少植物褪黑素通过酶促反应和非酶促反应分解产生多种代谢产物[48]在水稻中，褪黑素可通过水解酶（melatonin-2-hydroxylase，简称M2H）主要分解成2-羟基褪黑素[49]M2H定位于叶绿体和细胞质中[50]酶活性动力学表明，M2H活性远高于褪黑素的合成酶SNAT和ASMT，使得植物体内2-羟基褪黑素的含量为褪黑素的368倍[51]同时，褪黑素也可通过酶促反应分解为4-羟基褪黑素，但后者在植物体内的含量极低在非酶促反应中，褪黑素可以通过与自由基发生级联反应而逐渐被分解[52]例如，褪黑素通过M2H酶解为2-羟基褪黑素，后者可通过与自由基进一步发生反应产生N-1-乙酰基-N-2-甲酰基犬尿酰胺（AFMK）[50]4 植物褪黑素的生理功能色氨酸是褪黑素和吲哚乙酸生物合成的共同前体[31]它们在结构上十分相似，二者在植物体内有相似的生理功能[27]褪黑素参与调控植物发育、开花、营养吸收及果实成熟等生理过程[3]外施褪黑素能显著提高植物种子的萌发率利用外源褪黑素处理棉花种子，发现低浓度褪黑素促进种子的萌发，而高浓度褪黑素对种子萌发具有抑制作用[53]。
低浓度褪黑素处理棉花种子，能改善种子萌发过程中的发芽势、发芽率和最终鲜质量褪黑素具。