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褪黑素在植物中的功能分析
褪黑素简介
褪黑素的分子式为C13H16N2O2,,熔点为116~118℃,褪黑素的生物合成主要是在松果腺细胞内进行,以色氨酸为原料,经羟化、脱羧及N-乙酰转移酶等的催化作用,最终形成褪黑素。
褪黑素((N-acetyl-5-methoxytryptamine,N-乙酰基-5-甲氧基色***)作为一种主要由松果体分泌的(哺乳动物和人)神经内分泌激素(吲哚***类激素,主要在夜间分泌),有调节睡眠/觉醒周期、免疫调节、细胞凋亡调节及抗氧化等多种生理功能。在正常生理状态下,人类和哺乳动物血清褪黑素浓度呈昼夜节律性波动,表现为夜间分泌达到峰值,白天则降至谷值。
褪黑素的化学结构:
褪黑素在植物中的功能分析
的作用,起到类似开关的作用,引导植物由有性向无性生殖转换。
(2)褪黑素在植物中的抗氧化作用
①原理:
褪黑素吲哚环5位上的甲氧基和侧链上的N-乙酰基是褪黑素清除活性氧(ROS)的必需基团。褪黑素主要通过提供电子来清除ROS,失去电子后褪黑素本身变成了毒性很低的吲哚阳离子,后者进一步清除ROS,转变成N1-乙酰-N2-甲酰-5-甲氧犬脲酰***(AFMK),AFMK比褪黑素具有更强的抗氧化作用,两者协同作用,进一步增强了褪黑素对ROS的清除作用;
褪黑素还可通过其受体影响细胞及组织内的一些氧化和抗氧化酶类,如能增强超氧化物歧化酶
(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-P)等活性,达到清除自由基的作用;
褪黑素是目前已知的抗氧化作用最强的内源性自由基清除剂,其清除自由基能力是维他命E的2倍,谷胱甘肽的4倍。
②提高植物抗冷害能力:
褪黑素可以明显提高低温胁迫下烟草悬浮细胞的存活率,该功能主要是通过提高烟草细胞的精***脱羧酶的活力,调节多***的合成来提高抵御冷害的能力;
用浓度为43和86nmol/L褪黑素在26℃处理胡萝卜悬浮细胞5d后再转入2℃~3℃的低温条件下7d后,与未经褪黑素处理的对照组相比,细胞的死亡率大大降低,褪黑素处理可显著减少由冷害诱导的细胞死亡,并且在褪黑素处理后细胞内源的多***(腐***和亚精***)含量提高,这些多***的水平与植物抵抗逆境的能力有关,从而缓和了由冷害造成的细胞死亡;
将不同生长时期的曼陀罗的花芽置于4℃的低温逆境下培养3d,其内源的褪黑素和前体5-羟色***的含量均比对照高
;
通过基因工程的手段使褪黑素合成过程的限速步骤的关键酶(5-羟色***N-乙酰转移酶)在水稻中得到过表达,检测发现植物内源的褪黑素含量提高,并且该转基因系水稻在冷逆境下具有比对照高的叶绿素含量;
将大花红景天愈伤组织在含褪黑素的培养基中预处理后,进行冷冻保存后的成活率显著高于未经处理的组织。
③光保护作用:
光合作用过程会产生大量的自由基和活性氧,如过氧化氢和单线氧,Tan等将水葫芦分别置于太阳光和人工光下时发现褪黑素及其前体AFMK的含量在太阳光下远高于人工光下的含量,表明了光刺激了褪黑素的合成,从而使植物抵御光伤害,并且褪黑素的含量在光周期结束时达到最大,也推测是由于经过光照一个白天后,褪黑素的积累达到最大,从而保护植物抵御光合作用过程产生的自由基的伤害;
紫外辐射会引起植物细胞膜脂过氧化,产生过量自由基,造成植物伤害,而褪黑素在藻类和高等植物中具有抵御紫外线伤害的能力,
保护光合作用系统,提高叶绿素含量的功能。
④抵抗化学物质的污染:
褪黑素可以保护植物抵抗化学物质和重金属离子的伤害。化学物质***化钠、硫酸锌和过氧化氢诱导了大麦内源褪黑素含量的大幅度上升,褪黑素含量是未经化学物质处理的对照的6倍,表明内源褪黑素可以作为抗氧化剂抵抗化学物质的伤害;
许多文献中报道了褪黑素抵抗重金属对植物的伤害。将褪黑素加入土壤中可以使豆类植物抵御重金属铜离子的伤害,大大提高了植物的成活率;褪黑素可以减弱硫酸铜对甘蓝种子、黄瓜种子和玉米种子萌发的伤害作用,使得种子在重金属铜离子存在的条件下仍然能够正常萌发,种苗得以生长;
对于褪黑素保护植物抵抗化学物质的伤害机制,研究者发现,化学物质引起了植物细胞膜脂过氧化、DNA的复制和细胞分裂,而褪黑素处理的植物可以避免上述伤害产生;
对于褪黑素是如何缓解高盐压力对植物的伤害作用,Li等认为一方面褪黑素是通过直接清除过氧化氢或提高抗氧化酶的活性,另
一方面,他们通过实验证明,在高盐环境下,褪黑素调节了离子通道相关基因的表达,使得达到离子的动态平衡进而提高了植物对高盐压力的抵抗力。
(3)对植物昼夜节律和光周期的调节作用
①在植物中褪黑素的含量同样有昼夜变化。在短日照植物红黍中,在不同的光周期下(光/暗分别为16h/8h、12h/1 2h、8h/16h),褪黑素的含量在光期开始前的4~6h达到最大值,随后下降很快,在暗期结束时降至最低,暗中褪黑素的含量达到最大,表明褪黑素在植物体内具有与动物类似的昼夜节律性;
②褪黑素还对植物开花具有调节作用,但是褪黑素不是对开花的时间有影响而是对开花的幅度有影响。Kolar等将100和500μmol/L的褪黑素施加在红黍上,发现红黍的开花率显著下降,但是只有在光期或暗周期的前一半时间内的褪黑素处理才能有效地抑制开花作用,表明褪黑素可能影响开花信号的早期
传递,褪黑素作为一种黑暗的信号分子通过叶中的光受体传导到顶端分生组织,进而诱导植物的成花过程;
③对褪黑素影响开花的作用机制目前尚不清楚。
褪黑素在植物中的其他生理功能
抗衰老、抗疾病:
叶面施加褪黑素可以缓解高温对黄瓜植株的伤害:与未施加褪黑素的对照黄瓜苗相比,经过在叶片施加褪黑素后,在高温压力下,褪黑素可以显著降低叶片超氧阴离子自由基的产生速率及过氧化氢的含量,同时降低细胞膜的渗透性和丙二醛的含量,从而缓解高温对植株的破坏作用;
广藿香种子对光热非常敏感,将其在褪黑素溶液中引发2d后,%提高至52%,表明褪黑素可以提高植物在多重环境压力下的抵抗力;
褪黑素可以延迟苹果叶片的衰老,将10mmol/L的褪黑素施加于苹果叶片上时减缓了暗环境诱导的凋亡,实验表明,褪黑素延缓了正常的叶绿素降低速度及抑制了能
够调控叶绿素降解基因的转录水平,另外褪黑素处理组具有较高含量的抗坏血酸及谷胱甘肽,因此褪黑素对植物凋亡的抑制作用同时通过mRNA水平和蛋白质水平上进行了调控。
有学者发现褪黑素能够提高植物抵御干旱的能力,通过在黄瓜种子萌发及生根阶段添加褪黑素可以抑制由聚乙二醇造成的干旱环境,褪黑素能够提高种苗的光合作用速率及保护渗透压力下叶绿体的形态,逆转了干旱胁迫的影响;
施加褪黑素可以使苹果抵御苹果褐斑病的侵染,主要是通过提高植物抗氧化酶活力并保持内源过氧化氢处于稳定状态,从而提高了对疾病的抗性。

(1)褪黑素除了在植物生长发育及自然逆境下发挥作用外,还可以提高植物抵御疾病的能力:由于褪黑素对人和动物具有安全性,所以与传统农药相比,褪黑素不失为一个理想的植物保护剂;