综述：褪黑素介导的植物重金属胁迫缓解：从整合机制到潜在应用

《Journal of Pineal Research》：Melatonin-Mediated Alleviation of Plant Response to Heavy Metals: From Integrative Mechanisms to Potential Applications

　　

全球范围内的重金属（HM）胁迫对环境植物和动物构成严重威胁。褪黑素已被证明在增强植物抗逆性和提高重金属胁迫下的植物修复能力方面具有显著效果，然而，对这些广泛作用机制的系统性讨论及其与实际应用之间的差距仍不明确。本综述旨在系统性地阐述褪黑素整合效应用于缓解重金属毒性的机理认知及其环境意义。一方面，褪黑素通过调节重金属稳态、诱导重金属解毒、维持光合作用和养分平衡，并激活抗氧化防御系统，以提高植物对重金属胁迫的防御抗性。另一方面，褪黑素在植物防御反应中触发了多个转录基因网络并介导了广泛的植物激素互作。值得注意的是，褪黑素及其产生菌在维持植物生长和提高重金属污染条件下的植物修复效率方面展现出潜在应用前景，表明其对植物-微生物组-土壤协同反馈具有调节作用。最后，本文阐明了褪黑素整合机制与应用的当前挑战与未来展望，强调应进一步整合基础科学问题与组合技术，以推动其实际应用。总而言之，本综述阐明了褪黑素整合的植物多重响应机制及针对环境重金属的潜在修复应用，为制定相对广谱和长期的策略提供了依据。

本文核心内容总结如下：

**1 引言**

随着现代农业与工业的发展，重金属（HM）在全球环境系统中大量富集，导致土壤重金属污染。这些有害污染物无法被降解，持续威胁着生态系统和食物链。由于植物具有固着生长的特性，无法迁移以逃避不利环境，重金属通过诱导氧化损伤、抑制代谢途径、破坏养分稳态、降低叶绿素含量等方式严重影响植物生长与发育。因此，需要更有效和可持续的策略来解决这些问题。植物在长期适应过程中，已形成复杂的防御策略以应对环境重金属胁迫。这些复杂的防御过程由植物激素和次级信使等多类信号分子整合调控，以提供保护性响应。值得注意的是，褪黑素作为一种胁迫响应的新兴调节因子，在过去几十年中得到广泛认可。凭借其独特的化学性质和作用机制，褪黑素在缓解重金属胁迫方面展现出尤为突出的潜力。一方面，褪黑素在植物细胞器中发挥直接的抗氧化作用，调节氧化胁迫和系统性信号传导。另一方面，外源施用褪黑素以及提高内源褪黑素水平，能显著降低多种植物物种（如大豆、水稻、小麦、番茄等）的重金属毒性。尽管近期研究已阐明了褪黑素在植物防御响应中的多重作用，但现有研究和综述大多聚焦于植物重金属耐性的部分机制，对褪黑素介导的环境植物修复以及整合机制与实际应用之间的差距关注较少。迄今为止，关于褪黑素在重金属污染下植物响应和环境修复中的全面机制整合讨论、潜在应用及其相互作用仍不明确。因此，本综述旨在独特地系统分析褪黑素介导的重金属污染下植物胁迫响应与环境植物修复。首先，本综述探讨了植物褪黑素代谢及其在胁迫条件下的动态变化，揭示了褪黑素生物合成与分解之间的代谢平衡。随后，本报告全面阐述了褪黑素保护机制背后的整合性生理、生化和分子防御网络及其与植物激素的相互作用。此外，讨论了褪黑素及其产生菌在维持农产品质量和提高重金属污染土壤植物修复效率中的双重作用，特别是植物-褪黑素-土壤-微生物组反馈机制。本综述为褪黑素多重作用机制及其在缓解重金属污染中潜在应用的未来前景提供了新见解，强调了基于褪黑素方法在实际应用中的重要性。

**2 植物褪黑素生物合成与代谢响应重金属胁迫**

尽管植物褪黑素生物合成途径与动物相似，但其在合成位点和信号通路上存在显著差异。植物褪黑素生物合成途径始于莽草酸途径中的色氨酸，随后经历四步酶促反应。首先，色氨酸脱羧酶（TDC）将色氨酸脱羧为色胺。随后，色胺5-羟化酶（T5H）将色胺羟化为血清素，后者经血清素N-乙酰转移酶（SNAT）进一步乙酰化生成N-乙酰血清素。最后，由N-乙酰血清素甲基转移酶（ASMT）或咖啡酸O-甲基转移酶（COMT）介导对N-乙酰血清素进行O-甲基化，产生N-乙酰-5-甲氧基色胺，即褪黑素。值得注意的是，这些酶定位于叶绿体、内质网（ER）和细胞质中，能够响应环境胁迫引发的叶绿体及其他细胞器中的活性氧（ROS）爆发，快速且在局部产生褪黑素。褪黑素可与ROS和一氧化氮（NO）相互作用，形成N1-乙酰-N2-甲酰基-5-甲氧基喹啉胺（AFMK）、N1-乙酰-5-甲氧基喹啉胺（AMK）或N-亚硝基褪黑素。此外，褪黑素也可通过2/3/4/6-羟化酶（M2H/M3H/M5H/M6H）和N-乙酰血清素脱乙酰酶（ASDAC）转化为2/3/4/6-羟基褪黑素（2/3/4/6-OHM）和5-甲氧基色胺。

作为一种重要的次级信使，褪黑素在多种胁迫下持续被诱导。在响应重金属时，不同植物物种的内源褪黑素水平显著升高，这取决于植物褪黑素生物合成和代谢基因（TDC， T5H， SNAT， ASMT， COMT， M2H）及其上游转录因子（TF）介导的转录水平的直接调控。例如，在暴露于镉（Cd）的番茄幼苗中，热激因子A1a（HsfA1a）及其下游的COMT1转录水平大幅增强，这与番茄中褪黑素积累和抗逆性的提高相一致。重金属胁迫下褪黑素代谢的快速诱导和动态调控，提示其在防御途径中的保护性和适应性机制。与之一致的是，外源施用褪黑素或褪黑素产生菌，以及过表达褪黑素生物合成基因，也能显著提高番茄等植物对重金属的抗性。此外，褪黑素的代谢产物如2/3-OHM也显示出抗氧化活性。因此，重金属胁迫下褪黑素生物合成与分解之间的平衡，凸显了其在整合植物多重防御网络中的关键作用。

**3 整合性植物生理与生化机制**

**3.1 调节重金属稳态**

植物响应重金属胁迫的最重要防御策略是维持细胞离子水平的稳态。首先，褪黑素抑制重金属内流转运蛋白，同时增加重金属外排和液泡区隔相关基因的表达，从而抑制重金属吸收。例如，褪黑素处理显著介导一氧化氮（NO）水平，下调负责镉（Cd）和砷（As）吸收的铁调节转运蛋白1（IRT1）、天然抗性相关巨噬细胞蛋白1/5（NRAMP1/5）和低硅水稻1（Lsi1）的表达，同时上调重金属稳态相关基因（叶片镉积累1基因（CAL1）、重金属ATP酶3（HMA3））的转录，从而减少植物镉积累。通过减少镉吸收并促进镉在根和茎中的区隔化，褪黑素能有效减少水稻中的镉转运。其次，褪黑素也调控细胞壁沉积和囊泡运输。例如，褪黑素增加水稻细胞壁中半纤维素的积累，以增强对镉的结合能力。褪黑素抑制细胞壁多糖和果胶的去甲基化，从而抑制它们与铝（Al）的结合，改善铝从根部的排斥，进而提高小麦的铝耐性。尽管褪黑素同时改善了植物对镉和铝的耐性及重金属稳态，但其在植物细胞壁中的作用机制有所不同。褪黑素还能激活囊泡运输蛋白的表达，增加二色补血草（Limonium bicolor）中的离子囊泡分泌。第三，褪黑素可以重塑根际和土壤微生物组，影响植物生长和生产力，包括形成健康的植物微生物群落，以及在植物与重金属之间构建有效屏障。总的来说，不同植物如水稻、小麦和番茄在不同重金属胁迫下表现出共性和差异，褪黑素通过协同作用于内流转运蛋白、外流转运蛋白、液泡区隔化、细胞壁组分、囊泡运输和微生物群落，确保植物重金属稳态以提高胁迫抗性。

**3.2 诱导重金属解毒**

尽管部分重金属不可避免地进入植物细胞产生毒性，但褪黑素也能通过激活多种螯合作用形成重金属结合复合物进行解毒。一方面，褪黑素诱导植物螯合肽（PC）合酶（PCS）的表达及其从谷胱甘肽（GSH）生成的PC。然后PCs因其富含的半胱氨酸对重金属的高亲和力，形成稳定的重金属-PC复合物，赋予植物重金属解毒能力。在番茄中，褪黑素诱导GSH和PC的积累以及PC-Cd复合物的形成，从而降低镉的生物有效性和毒性。另一方面，褪黑素诱导金属硫蛋白（MTs）的表达，其富含的半胱氨酸可以结合重金属形成重金属-MT复合物并发挥解毒作用。例如，在萝卜中，褪黑素诱导重金属螯合剂和转运蛋白的表达，特别是MT1，其过表达赋予植物更高的镉耐性。

**3.3 维持光合作用与养分平衡**

光合作用和养分平衡对植物生长发育至关重要，但在重金属胁迫下两者均会受到破坏。褪黑素能够在胁迫条件下维持光合状态和养分平衡，从而缓解重金属胁迫导致的植物损伤和生长抑制。例如，喷施褪黑素提高了小麦的净光合速率、最大和实际量子效率以保持光合作用，从而缓解了铬（Cr）诱导的损伤和毒性。在绿豆中，镉胁迫诱导包括钾（K）和氮（N）在内的营养缺乏，而褪黑素通过提高质膜（PM）H⁺-ATP酶活性和氮同化相关酶（硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和谷氨酸合酶）活性，显著增加了它们的吸收和积累。在番茄中，褪黑素通过渗透调节物质如脯氨酸和PC的积累，调节镉胁迫下的渗透和养分平衡（包括K、Ca、Mg、Fe、Mn和Zn）。渗透平衡缓解了镉对养分运输通道和膜通透性的损伤，而PC-Cd复合物减少了镉与养分的竞争性运输。此外，褪黑素上调了硫（S）吸收相关基因，S和含硫螯合剂的增加可以降低重金属毒性。

**3.4 增强抗氧化防御系统**

虽然重金属在植物中引发氧化胁迫及潜在的细胞损伤，但褪黑素通过激活直接的ROS清除和抗氧化系统显著缓解了这一过程。作为一种高效抗氧化剂，褪黑素可以直接清除主要在叶绿体、线粒体和过氧化物酶体中产生的多种ROS（过氧化氢（H₂O₂）、羟基自由基（•OH）、超氧阴离子（O₂^?等）和活性氮（RNS）。除了直接清除，褪黑素还能在转录和转录后水平直接和间接激活内源性酶促抗氧化系统，包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）等的转录水平和酶活性。同时，褪黑素也增加内源性非酶抗氧化剂，特别是抗坏血酸（AsA）-谷胱甘肽（GSH）的积累。作为PC生物合成的代谢前体，GSH也是关键的氧化还原调节剂，为重金属解毒提供保护作用。总的来说，褪黑素激活的抗氧化防御系统广泛参与缓解几乎所有植物物种（如番茄、小麦、水稻等）中不同重金属诱导的氧化损伤。

**4 防御响应背后的分子信号网络**

**4.1 广泛的转录重编程**

响应外源褪黑素应用或重金属胁迫，内源褪黑素水平升高，进而与植物褪黑素受体（PMTR）结合进行信号感知。然后，褪黑素-PMTR信号传递至丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联反应，其激活进一步调控转录因子介导的下游基因的转录激活及相应的保护性响应，从而提高植物胁迫抗性。全基因组测序已在多种植物中鉴定了重金属胁迫和对照条件下广泛的褪黑素下游基因网络。在褪黑素信号中，信号输入、感知、转导和输出触发了多个转录基因模块，关键的调控基因网络如下所示：（1）重金属转运蛋白：内流相关基因（IRT1， NRAMPs， 锌调节转运蛋白样蛋白11（ZIP1）， 黄斑样蛋白3（YSL3）等）、外流相关基因（重金属ATP酶（HMA）， 金属耐受蛋白（MTP）， ATP结合盒转运蛋白（ABCC）， 植物镉耐性蛋白2（PCR2）等）以及重金属稳态相关基因（多效性药物抗性蛋白（PDR8）等）。（2）螯合相关基因：金属硫蛋白（MTs）， 植物螯合肽合酶（PCSs）， γ-谷氨酰半胱氨酸合酶1（GSH1）。（3）抗氧化相关基因：SOD， CAT， APX， 谷胱甘肽还原酶（GR）， GPX， 谷胱甘肽S-转移酶（GST）。（4）转录因子（TFs）：WRKY， HSF， MYB， ERF等形成整合调控枢纽（TF-下游基因）以激活下游保护性响应。（5）胁迫响应基因：COR， 病程相关蛋白（PRs）， 热激蛋白（HSPs）等。（6）微小RNA（miRNA）-靶基因网络。褪黑素响应性miRNA-靶基因的调控为褪黑素调控基因提供了新视角。由于广泛的DNA结合和转录重编程，褪黑素对TF-胁迫响应基因和miRNA-靶基因的调控可能涉及所有褪黑素相关过程，包括褪黑素生物合成和信号激活。尽管不同植物物种中褪黑素介导的下游基因存在一些差异，但对重金属转运蛋白、螯合基因、抗氧化基因、TFs、胁迫响应基因和miRNA靶点的广泛重编程，为响应重金属胁迫的普遍保护性响应提供了有力证据，这与褪黑素改善的多重生理生化机制相一致。

除了转录调控，褪黑素还广泛参与DNA甲基化模式的表观遗传调控，作用于重金属转运蛋白基因、胁迫响应基因、抗氧化基因等位点，这被称为防御响应的胁迫引发。例如，褪黑素处理在番茄中引起DNA甲基化状态和乙烯（ET）信号基因表达的显著变化，导致染色质状态更松散以利于转录激活。褪黑素显著降低了铅（Pb）胁迫下萝卜中抗氧化基因、离子结合基因、重金属转运蛋白基因和TFs的DNA甲基化，从而增加抗氧化酶活性并减少铅积累。此外，褪黑素可以通过激活错配修复相关基因表达，缓解Cd诱导的RNA m⁶A甲基化和生长抑制，从而促进拟南芥的镉植物修复。

**4.2 与植物激素的复杂互作**

作为次级信使和类植物激素小分子，褪黑素与几乎所有经典植物激素通路和信号分子（如硫化氢（H₂S））存在广泛的互作。由于褪黑素和生长素（吲哚-3-乙酸（IAA））需要来自莽草酸途径的相同代谢底物，它们的代谢通路和信号通路在互作中被精细调节，包括生长素生物合成基因（黄素单加氧酶（YUCCAs）， 拟南芥色氨酸氨基转移酶（TAA））、生长素运输基因（生长素不敏感1（AUX1）， PIN-FORMEDs（PINs））和生长素信号组分（Aux/IAAs， 生长素响应因子（ARFs））。褪黑素-植物激素互作也调节植物生长与防御成本在胁迫条件下的平衡，涉及褪黑素与多种植物激素的关系，包括生长素、茉莉酸（JA）、水杨酸（SA）、乙烯（ET）、赤霉素（GA）。此外，褪黑素与SA、JA、ET和GA信号相互作用，调节胁迫响应基因和解毒基因的协同调控，以实现广谱防御响应，包括SA信号中的苯丙氨酸解氨酶（PAL）基因和PR基因，JA信号中的茉莉酸ZIM结构域蛋白（JAZs）和MYCs， ET信号中的乙烯不敏感蛋白（EINs）和乙烯响应因子（ERFs）， GA信号中的DELLAs和光敏色素互作因子（PIFs）。褪黑素与脱落酸（ABA）的相互作用主要依赖于发育阶段和环境条件。一方面，在胁迫条件下，褪黑素可以与ABA协同激活下游防御响应，包括ABA不敏感蛋白（ABIs）和ABA响应因子（ABFs）。另一方面，褪黑素可能通过整合赤霉素和生长素信号，在早期阶段拮抗ABA介导的种子萌发，涉及ABA生物合成中的9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶（NCEDs）和CYP707As， GA生物合成中的GAox基因，生长素生物合成中的YUCCAs。这些动态相互作用也精细调节植物适应性，以在胁迫条件下降低ABA造成的严重生长抑制，同时维持有效的防御响应。此外，褪黑素还与H₂S在介导重金属胁迫响应中相互作用，表明它们之间存在内源性调控。总的来说，褪黑素整合多种植物激素，精细调节它们在生物合成和信号通路中的互作，为响应重金属提供最佳的生长和有效的广谱防御响应。与拟南芥中相对清晰的褪黑素-激素互作相比，它们在作物中的复杂相互作用仍很大程度上未知。

**5 从整合机制到潜在应用**

尽管存在物种特异性差异，但外源褪黑素处理和提高的内源褪黑素在植物生理、生化和分子水平上的全面调控，显示出褪黑素在重金属胁迫下具有广阔的实际应用前景。

**5.1 维持重金属胁迫下的植物生长**

尽管重金属显著抑制植物生长、生产力和品质，但外源褪黑素能显著提高多种植物的防御抗性并减少重金属积累。在小麦中，喷施褪黑素通过减少氧化损伤来维持生长，从而显著降低重金属毒性。在番茄中，施用褪黑素通过增强抗氧化防御来降低重金属毒性。由于其生物可降解性，外源褪黑素引发和内源褪黑素基因工程已被广泛用于提高粮食作物的防御抗性和性能。除了外源褪黑素，褪黑素产生菌也应用于提高褪黑素的可用性，从而增强植物在环境胁迫下的生长和健康状况。尽管存在一些差异，微生物褪黑素生物合成（包括大肠杆菌和酿酒酵母）共享主要相似的生物合成途径，产生的结构高度保守的褪黑素与植物和动物褪黑素相同。随着近年来代谢工程和合成生物学的发展，辅因子优化、通量增强、底物供应和酶过表达等遗传改良显著改造并增加了微生物褪黑素产量，包括酿酒酵母SCE-iL3-HM-43、大肠杆菌EcMEL8、大肠杆菌BL7992等。虽然所有这些改良微生物都能比对照提高褪黑素产量，但它们的系统性比较尚不清楚。迄今为止，褪黑素和褪黑素产生菌如假单胞菌和芽孢杆菌都能促进植物生长和抗逆性，并改善环境微生物群落和土壤健康。与外源褪黑素应用相比，褪黑素产生菌可能为可持续绿色农业提供更生态友好的方法。

**5.2 增强重金属的植物修复能力**

迄今为止，在重金属胁迫条件下，适合植物修复的植物非常有限。相反，褪黑素和褪黑素产生菌可以通过其对植物、环境土壤和微生物组的整合作用，至少部分地应对这一不足。一方面，褪黑素通过增加有益成分和微生物、减少氧化胁迫和改善光合作用来促进植物生长并提高其胁迫抗性。在樟树和小麦中，褪黑素处理在重金属胁迫下赋予植物更好的生长和光合参数以及土壤质量。除了提高胁迫耐受性，褪黑素还能增加一些植物物种（如具有高重金属吸收和耐受能力的樟树）全器官的重金属积累，从而增强其对环境重金属的植物修复潜力。另一方面，褪黑素可以显著改善土壤特性、微生物群落多样性和微生物组活性，为土壤质量、植物高效养分吸收提供有利条件，并为重金属构建有效屏障。如图所示，褪黑素整合了其在改善的植物修复中对植物、土壤和微生物组的系统性效应，包括：褪黑素-土壤反馈用于增强土壤特性和有益成分；土壤-微生物组反馈用于改善微生物群落和活性以及健康土壤系统；微生物组-植物反馈用于提供有益微生物和协同保护效应；褪黑素-植物反馈用于激活防御响应和协同保护效应；植物-土壤反馈用于实现有效的植物修复和保护性响应，从而赋予植物增强的抗性和土壤修复能力。

**5.3 应用挑战与展望**

尽管褪黑素在一些农作物（水稻、小麦、番茄等）应对重金属污染方面显示出良好前景，但以下问题应得到解决和进一步研究，从而促进基于褪黑素的方法在环境重金属治理中的应用。

首先，褪黑素应用的最佳剂量和周期尚不清楚。作物发育过程中褪黑素剂量与后续响应之间的关系复杂，低浓度可能无显著效果，而高浓度可能无法产生更好效果甚至产生反作用。最佳褪黑素剂量取决于多种因素，包括不同植物物种、发育阶段、环境条件和施用方法（叶面喷施、种子引发、根区浸渍或灌溉），因此，内源褪黑素水平、外源褪黑素浓度与多因素之间的定量剂量-响应分析是作物田间应用的基础。一般来说，叶面喷施、种子引发和根区灌溉的推荐施用浓度范围分别为50–200?μM、20–200?μM和5–75?μM。这些浓度梯度可考虑用于初步剂量优化和田间验证。

其次，褪黑素在田间条件下的长期和大规模效应仍不明确。外源和内源褪黑素以及褪黑素产生菌在田间作物中的稳定性和持久性需要持续检测。建议至少进行三个独立的田间试验和三个完整的作物生命周期来验证田间效果，并伴随对整个植物-土壤生态系统的检查。

值得注意的是，褪黑素或褪黑素产生菌与其他方法的整合需要深化，以提高功能稳定性和吸收效率以及聚合效应。由于多种化合物（生物炭、有机酸、纳米颗粒等）和有益微生物（褪黑素产生菌、重金属结合微生物等）对植物胁迫抗性和植物修复显示出多样的保护作用，应进一步研究它们与褪黑素的协同效应和最佳组合。例如，纳米颗粒整合的褪黑素和褪黑素产生菌由于其在植物中降解缓慢和递送效果更好，显示出更好的效果。结合褪黑素产生菌，精准智能辅助和人工优化的合成微生物群落（SynComs）以及纳米颗粒将进一步促进绿色农业和环境应用。目前，基于纳米颗粒的褪黑素、高产褪黑素微生物以及其他互补化合物被推荐用于转化应用。

与此同时，褪黑素介导植物响应重金属的基础科学问题需要进一步阐明，例如不同生理、生化和分子途径的相对贡献，必需重金属与非必需有毒金属之间的差异，整个生命周期的最佳褪黑素引发状态，实验与田间条件下的环境权衡等。应通过多组学方法在重要作物中鉴定和阐明模式植物同源的褪黑素分子靶点和新型褪黑素靶点，从而为多靶点聚合的整合作用提供依据。