植物褪黑素：植物應(yīng)答非生物脅迫的新興信號分子

周宏丹 羅曉萍 涂米雪 李忠光

（云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 生物能源持續(xù)開發(fā)利用教育部工程研究中心 云南省生物質(zhì)能與環(huán)境生物技術(shù)重點實驗室，昆明 650500）

褪黑素（melatonin, MT）是一種新興的植物激素，與傳統(tǒng)五大類植物激素生長素（auxin, IAA）、赤霉素（gibberellin, GA）、細胞分裂素（cytokinin,CTK）、乙烯（ethylene, ETH）和脫落酸（abscisic acid, ABA）相比，其鑒定僅有20 多年的歷史。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上講，MT 是一種色氨酸衍生物，化學(xué)名稱為N?乙酰?5?甲氧基色胺，是廣泛存在于動植物體內(nèi)的小分子吲哚胺類物質(zhì)。1958 年Lerner 等［1］從牛的松果體中分離提取出了該物質(zhì)，認為它是一種對動物生理活動具有調(diào)節(jié)作用的神經(jīng)激素。隨后的1993 年，van Tassel 等［2］采用放射性免疫分析法和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的方法，也從牽?；ǎ↖pomoeanil L.）和番茄（Solanum lycopersicum L.）中檢測到MT。接著，1995 年，利用放射性免疫分析法，科學(xué)家從24 種食用植物中也分離到MT，并發(fā)現(xiàn)MT 濃度具有物種和器官特異性［3-4］。直至2004 年，為區(qū)別于動物MT，Blask 等［5］將植物中的MT 命名為植物褪黑素（phytomelatonin）。從生理功能上來說，MT 與其他植物激素相似，它不僅調(diào)控種子萌發(fā)和根系構(gòu)型［6］，也調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、光周期及生物和非生物脅迫耐性［7-8］。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)MT 在正常生理條件下，其在植物體內(nèi)的含量很低，一般為pmol/g鮮重到nmol/g 鮮重［9］，但在高溫、低溫、干旱、鹽漬、重金屬、紫外輻射和水澇等逆境脅迫下，MT 的含量可增加上百倍，繼而引發(fā)MT 信號，增強植物對這些逆境脅迫的抵抗能力［7-9］。

一般認為，MT 是一種多效性的信號分子，在植物應(yīng)答逆境脅迫中扮演著新的角色。MT 既可以作為活性氧（reactive oxygen species, ROS）清除劑，直接清除ROS；也可通過激活抗氧化系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)，維持細胞的氧化還原平衡［9］。眾所周知，逆境脅迫可導(dǎo)致細胞中ROS 的產(chǎn)生速率大于其清除速率，繼而氧化損傷膜脂、蛋白質(zhì)、DNA 等生物大分子［10-11］。相應(yīng)地，MT 可通過直接清除ROS 或激活抗氧化系統(tǒng)，緩解ROS 引發(fā)的氧化脅迫［12］。此外，逆境脅迫可誘發(fā)滲透脅迫，導(dǎo)致植物細胞缺水。在此過程中，MT 一方面可積累脯氨酸（proline, Pro）等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，繼而保持原生質(zhì)與環(huán)境的滲透平衡和細胞膜結(jié)構(gòu)的完整性，減輕脅迫造成的光抑制；另一方面，MT 可調(diào)節(jié)抗逆相關(guān)基因（HSFA1s、LpTDC1、SLTDC1、SNAT1、ASMT 和COMT 等）的表達，提高逆境蛋白的水平，實現(xiàn)植物耐逆性的提高［12］。此外，MT 也可與其他信號交互作用，激活多重保護系統(tǒng)，從而保護植物免受脅迫傷害［13-15］。研究表明，MT 與鈣（Ca2+）、ABA、GA、多胺（polyamine,PA）、一氧化氮（nitric oxide, NO）和H2S（hydrogen sulfide, H2S）等信號分子之間存在級聯(lián)［13-15］，但確切的機理尚未完全清楚。

20 多年來，MT 代謝及其在植物應(yīng)答非生物脅迫方面的生理功能更加明晰，取得了可喜的進步。因此，本文基于MT 在植物中的最新研究進展，概述了MT 在植物中的代謝及亞細胞定位，歸納其在植物應(yīng)答高溫、低溫、干旱、鹽漬、重金屬、紫外輻射和水澇等非生物脅迫中的作用，為深入理解MT的信號作用奠定了理論基礎(chǔ)。

1 MT 代謝

植物中MT 的代謝包括合成代謝和分解代謝，二者分述如下。

1.1 MT合成代謝

相對而言，MT 在哺乳動物、兩棲動物、鳥類等脊椎動物中的合成途徑較為清楚［16］，其在動植物中的合成具有許多相似之處，僅在反應(yīng)順序、合成酶和中間產(chǎn)物等方面存在差異。由于植物自身可合成MT 的前體色氨酸（tryptophan, Trp），所以其合成途徑比動物中更為靈活［17-18］。一般認為，MT 可在植物細胞的葉綠體、細胞質(zhì)和線粒體中合成，至少涉及4 個步驟、5 條途徑和6 個關(guān)鍵酶（圖1）。

圖1 植物中褪黑素的合成途徑Fig.1 Biosynthetic pathway of melatonin in plants

利用同位素標(biāo)記法，Murch 等［19］從貫葉連翹（Hypericum perforatum cv.）中檢測到MT 合成的主要前體物質(zhì)Trp，從此掀起了植物中MT 生物合成的研究熱潮。一般認為，MT 合成的4 條途徑都以5?羥色胺（serotonin, SER）作為中間體，整個合成過程中包括4 個連續(xù)的酶促反應(yīng)。在正常情況下，在葉綠體中，植物可以通過莽草酸（shikimate, SKM）途徑合成Trp。Trp 進入細胞質(zhì)后，在Trp 羥化酶（tryp?tophan hydroxylase, TPH）的作用下轉(zhuǎn)化成5?羥色氨酸（5?hydroxytryptophan, 5HT），但至今植物中并未克隆到TPH。接著，5HT 經(jīng)Trp 脫羧酶（tryptophan decarboxylase, TDC）作用生成SER，并且Zhao 等［20］在牡丹（Paeonin lactiflora Pall.）中發(fā)現(xiàn)TDC 是MT合成代謝的限速基因。此外，Kang 等［21］在水稻（Oryza sativa L.）探索到MT 合成代謝第一步的產(chǎn)物是色胺（tryptamine, TAM）而不是5HT，而第二步則是色胺在色氨酸?5?羥化酶（tryptophan?5?hydroxy?lase, T5H）的作用下轉(zhuǎn)化成SER。催化這兩個步驟的酶TDC 和T5H 分別在細胞質(zhì)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，因此Trp 到SER 的生物合成途徑是從葉綠體開始，并在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中結(jié)束。SER 在芳香族氨基酸脫羧酶（aromatic L?amino acid decarboxylase, AADC）或TDC 催 化 下生成TAM。隨后，TAM 在5?羥色氨?N?乙酰轉(zhuǎn)移酶（serotonin N?acetyltransferase, SNAT）的催化作用下乙?；癁镹?乙酰?5?羥色胺（N?acetylserotonin,NAS）［22］。厚皮刺果松（Pinus taeda）和擬南芥（Arabidopsis thaliana）的SNAT 定位于葉綠體中，而咖啡酸?O?甲基轉(zhuǎn)移酶（caffeic acid O?methyltrans?ferase, COMT）則定位于細胞質(zhì)中［23］。在條斑紫菜（Pyropia yezoensis）中，由于SNAT 缺少N 端葉綠素轉(zhuǎn)運蛋白，而定位于細胞質(zhì)中［24］。所以，在細胞質(zhì)中，NAS 在N?乙酰血清素甲基轉(zhuǎn)移酶（N?acetylserotonin methyltransferase, ASMT）和COMT 的催化下合成MT［25-26］。此外，SER 也可先在COMT/ASMT 催化下合成5?甲氧基色胺（5?methoxytryptamine, 5MT），再在葉綠體中經(jīng)SNAT 作用生成MT。利用激光共聚焦顯微鏡觀察到水稻ASMT 位于細胞質(zhì)中［27］。雖然植物線粒體、細胞質(zhì)和葉綠體中都可合成MT，但大部分情況下主要在葉綠體中合成，特別是在逆境脅迫條件下和高SER 含量的情況下［28］。

1.2 MT分解代謝

關(guān)于MT 合成代謝的研究較為豐富，但分解代謝卻鮮有報道，其代謝機制尚未完全清楚［29］。盡管植物與動物的MT 分解代謝物類似，但過程是否相同，尚未完全證實［28］。目前認為，MT 主要通過酶促、非酶促和假酶促反應(yīng)（enzymatic, non?enzymatic, and pseudoenzymatic reaction, ENP）3 種途徑進行降解，其降解的共同產(chǎn)物是N1?乙酰基?N2?甲?；?5?甲氧基 犬 尿 酰 胺（N1?acetyl?N2?formyl?5?methoxykynuram?ine, AFMK）［30-32］（圖1）。Tan 等［30］在水葫蘆（Ei?chhornia crassipes（Mart.）Solms）中鑒定到第一種MT 代謝產(chǎn)物AFMK，且吲哚胺2, 3?雙加氧酶（in?doleamine 2, 3?dioxygenase, IDO）與AFMK 的含量有關(guān)。同時，在此實驗中也檢測到另一種代謝產(chǎn)物N1?乙?；?5?甲氧基犬尿酰胺（N1?acetyl?5?methoxyky?nuramine, AMK）。研究發(fā)現(xiàn)，過表達IDO 會導(dǎo)致MT含量的降低；水稻中也證實IDO 可催化MT 分解代謝產(chǎn)生AFMK［31］。此外，MT 與超氧陰離子（super?oxide anion, O2·-）的非酶促反應(yīng)，以及MT 與細胞色素c（cytochrome c, Cyt c）或血紅蛋白（hemoglobin,HB）的假酶促反應(yīng)，均可產(chǎn)生AFMK［31］。研究發(fā)現(xiàn)，AFMK 和AMK 均已被證明具有保護細胞的作用，且AMK 是ROS 的有效清除劑［32］。

一般認為，MT 的分解既發(fā)生在細胞質(zhì)，也發(fā)生在葉綠體中［33］。MT 的主要代謝產(chǎn)物2?羥基褪黑素（2?hydroxymelatonin, 2?OHM），可保護植物免受多種非生物脅迫，在植物響應(yīng)非生物脅迫的保護作用甚至比MT 更有效［34-36］。在水稻中2?OHM 的合成酶褪黑素2?羥化酶（melatonin 2?hydroxylase,M2H）已經(jīng)成功被鑒定和克隆［37］。MT 的其他主要代謝產(chǎn)物4?羥基褪黑素（4?hydroxymelatonin, 4?OHM）和6?羥基褪黑素（6?hydroxymelatonin, 6?OHM）相較于MT 的水平較低［38］。此外，在植物中還發(fā)現(xiàn)了一種新的MT 代謝產(chǎn)物環(huán)?3?羥基褪黑素（3?hydroxyme?latonin, c3OHM），其由褪黑素3?羥化酶（melatonin 3?hydroxylase, M3H）催化MT 產(chǎn)生［39］。雖然c3OHM在植物中的作用未完全清楚，但如果編碼M2H 的基因表達受到抑制，發(fā)現(xiàn)c3OHM 的生成量顯著提高，這表明c3OHM 與MT 代謝存在潛在關(guān)聯(lián)［40］。目前，關(guān)于植物MT 分解代謝途徑的研究仍處于早期階段，有待于進一步探索。

2 MT 應(yīng)答非生物脅迫

如上所述，MT 作為一種新興的植物信號分子，不僅調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育，還應(yīng)答逆境脅迫。此部分主要討論MT 在植物應(yīng)答高溫、低溫、干旱、鹽漬、水澇、重金屬、紫外輻射等逆境脅迫中的作用（圖2）。

圖2 植物褪黑素在植物應(yīng)答非生物脅迫中的作用Fig.2 Role of phytomelatonin in plant response to abiotic stress

2.1 MT應(yīng)答高溫脅迫

由于全球氣候變暖，高溫脅迫對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失逐年增加。如何提高植物對高溫脅迫的抵抗能力，已成為亟待解決的問題。高溫脅迫會導(dǎo)致植物體內(nèi)ROS 爆發(fā)，即ROS 的過量積累，破壞植物固有的防御系統(tǒng)，造成細胞膜損傷，阻礙蛋白質(zhì)合成和細胞分裂，從而影響植株生長［41］。高溫脅迫可提高內(nèi)源MT 水平，引發(fā)MT 信號，繼而通過與Ca2+、ABA、GA、PA、NO 和H2S 等信號交互作用，改善植物對高溫的抵抗能力（圖2）。

MT 可提高植物的耐熱性。MT 不僅是一種有效的ROS 清除劑，也可作為信號分子啟動抗氧化系統(tǒng)的活力，繼而保持細胞的氧化還原平衡。Li等［42］提出MT 可通過調(diào)節(jié)玉米抗氧化系統(tǒng)、甲基乙二醛解毒系統(tǒng)及滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的活力，提高玉米（Zea mays L.）幼苗的耐熱性。此外，對高溫脅迫下的生菜（Lactuca sativa L.）噴施MT，發(fā)現(xiàn)丙二醛（malondialdehyde, MDA）含量減少，而超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和過氧化氫酶（catalase, CAT）活性提高，暗示外源MT 能夠有效提高抗氧化系統(tǒng)的活力［43］。類似地，MT 也可削弱光系統(tǒng)II（photosystem II, PSII）在供體側(cè)和受體側(cè)每個光化學(xué)反應(yīng)中心（photochemical reaction center,RC）的電子轉(zhuǎn)移效率，增加單位橫截面積的RC 數(shù)量，提高抗氧化系統(tǒng)的活力，防止PSII 的氧化損傷，從而減輕高溫造成的植株損傷［44］。

此外，MT 可與其他信號交互作用，提高植株的耐熱性。熱激轉(zhuǎn)錄因子（heat shock factors，HSFs）是調(diào)控植物細胞熱激響應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵因子，MT可上調(diào)熱激因子的表達，介導(dǎo)植物熱激反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，MT 可上調(diào)A1 類熱激因子（HSFA1s）的轉(zhuǎn)錄，熱激蛋白基因HSP90 和HSP101 的表達，有助于MT 介導(dǎo)的擬南芥耐熱性的提高［45］。而后，徐晨瀟等［46］從黃瓜（Cucumis sativus）幼苗中發(fā)現(xiàn)MT 和Ca2+的交互作用可上調(diào)HSF7、HSP70.1 及HSP70.11的表達，減少ROS 的積累，從而減輕高溫引起的植株過氧化損傷。此外，高溫脅迫可提高植物內(nèi)源ABA 水平，但過量的ABA 會導(dǎo)致葉片衰老。高溫脅迫可上調(diào)MT 生物合成基因（LpTDC1、LpTDC2、LpCOMT1、LpASMT1 和LpASMT3）、ABA 分 解 代 謝基因LpABA8Ox1 和GA 生物合成基因（LpGA20ox1和LpGA3ox）的表達，繼而增加MT 和GA 水平，降低ABA 含量，抑制葉片衰老［47］。Iqbal 等［48］發(fā)現(xiàn)MT 與H2S 在抵御高溫脅迫的過程中存在交互作用，高溫脅迫下，MT 不僅通過提高抗氧化酶的活性來減輕氧化脅迫，還可提高植物的光合作用和碳水化合物代謝，而這些生理過程可被H2S 介導(dǎo)。類似地，MT 還可通過調(diào)節(jié)硝酸還原酶（nitrite reductase, NR）和一氧化氮合酶（nitric oxide synthetase, NOS）的活性，提高植物內(nèi)源PA 和NO 水平，減輕高溫脅迫對番茄幼苗的損傷［49］。

2.2 MT應(yīng)答冷脅迫

冷脅迫是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子。低溫脅迫會導(dǎo)致綠葉枯萎、抑制光合作用、破壞細胞膜、降低結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白的活性，從而引起細胞代謝紊亂，對植物造成傷害［50］。MT 處理，可促進冷脅迫下冷響應(yīng)相關(guān)基因的表達，提高植株抗氧化系統(tǒng)的活力，緩解冷脅迫造成的損傷（圖2）。

MT 可提高植物的耐冷性。冷脅迫可使ROS 過量積累，打破植物細胞氧化還原平衡，造成氧化損傷。MT 處理可增加SOD、CAT、抗壞血酸過氧化物酶（ascorbate peroxidase, APX）和谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase, GR）等抗氧化酶活性，從而降低ROS 水平，減輕脂質(zhì)過氧化［51］。外源MT 處理，一方面可提高香蕉（Musa acuminate L.）果實中磷脂和不飽和脂肪酸的含量，誘導(dǎo)ROS 清除酶的活性，減輕氧化脅迫；另一方面，可下調(diào)MaPPO1、MaPPO2 和MaPPO3 的表達，抑制多酚氧化酶（polyphenol oxidase, PPO）活性，從而減輕冷害引起的果皮褐變［52］。此外，MT 也可通過提高琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase, SDH）和細胞色素氧化酶（cytochrome oxidase, CCO）等與能量代謝相關(guān)的酶的活性來緩解冷害［53］。外源噴施MT，可通過提高過氧化物酶（peroxidase, POD）活性及可溶性糖（soluble sugar, SS）含量，緩解低溫脅迫傷害［54］。在辣椒（Capsicum annuum L.）中，外源MT 不僅能激活葉片抗氧化系統(tǒng)活力，也可增加苗期和開花期Pro含量，維持細胞滲透壓，減少細胞膜質(zhì)過氧化，進而緩解因冷脅迫導(dǎo)致的損傷［55］。

MT 除抗氧化和抗?jié)B透脅迫外，還可通過調(diào)節(jié)光合作用相關(guān)基因的表達，以及與其他植物激素的交互作用，以此應(yīng)答冷脅迫。外源MT 可上調(diào)光合色素合成相關(guān)基因（CaCB12、CaCAB4、CaCAB7、CaCAB8、CaCAB21 和CaCAB37）的表達，繼而提高光合效率［56-57］。如上所述，色氨酸脫羧酶基因1（SlTDC1）是MT 生物合成的第一個限速基因，參與各種非生物脅迫下光合作用的調(diào)節(jié)。在低溫脅迫下，過表達SLTDC1 可提高番茄光合作用［58］。此外，MT也可通過降低ABA 含量，增加GA/ABA 比值來促進低溫脅迫下黃瓜種子的萌發(fā)［59］。

2.3 MT應(yīng)答干旱脅迫

干旱脅迫影響植物整個生活史。當(dāng)植物遭受干旱脅迫時，會對其代謝和發(fā)育等多個生理過程產(chǎn)生不同程度的影響，甚至導(dǎo)致植物死亡。研究表明，MT 可通過增強抗氧化酶活性，上調(diào)與植物細胞分裂、光合作用、有機物代謝、脂肪酸合成及抗壞血酸代謝的基因表達，來提高對干旱脅迫的抵抗能力［60］（圖2）。

MT 可提高植物耐旱性。干旱脅迫下，MT 處理可調(diào)節(jié)抗逆相關(guān)基因的表達，實現(xiàn)植株抗旱能力的增強［61］。在蘋果（Malus baccata Borkh.）中，上調(diào)MT 合成基因MdTDC1、MdAANAT2、MdT5H4 和MdASMT1 的表達，能有效地維持干旱條件下的水分平衡［62］。更有趣的是，Wei 等［63］在擬南芥中鑒定到第一個MT 受體CAND2/PMTR1。隨后，在擬南芥中過表達ZmPMTR1，可誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，從而減少水分散失，提高植物對干旱脅迫的耐受性［64］。MT 還可通過維持低水平的過氧化氫（hydrogen peroxide, H2O2），減輕干旱脅迫對光合作用和細胞膜的氧化損傷［65］。類似地，外源MT 能顯著降低甜菜（Beta vulgaris L.）的電解質(zhì)滲漏率（rate of electrolyte leakage, REL）和MDA 含量，提高SS、胚胎晚期豐富蛋白（late embryogenesis abundant, LEA）、可溶性蛋白質(zhì)（soluble protein, SP）和游離Pro 水平，維持細胞穩(wěn)態(tài)［66］。然而，MT 對根部POD 和SOD 活性沒有顯著影響，但可進一步提高干旱植株根部CAT活性，暗示抗氧化酶間的協(xié)同作用。在干旱脅迫下，MT 可通過促進主根和側(cè)根的生長、氣孔開放，從而增強光合作用，提高油菜（Brassica nupus L.）的抗旱性［67］?？偟膩碚f，MT 可直接清除H2O2，或通過增強抗氧化酶活性，間接清除ROS，這兩種機制協(xié)同作用，改善氣孔運動，繼而提高抗旱性。

MT 也與其他植物激素交互作用，提高植物干旱脅迫耐性。MT 不僅可增加茉莉酸（jasmonic acid,JA）的含量，還可上調(diào)與木質(zhì)素合成相關(guān)基因（4CL2、P5CS1 和CCR2）及淀粉和蔗糖代謝相關(guān)基因（PME53和SUS4）的表達［68］，從而增強小麥的抗旱性。一般認為，ABA 在植物抗旱性中起關(guān)鍵作用，水分虧缺可增加ABA 的合成，進而導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。MT 預(yù)處理可選擇性下調(diào)ABA 合成基因MdNCED3，上調(diào)ABA 分 解 代 謝 基 因MdCYP707A1 和MdCYP707A2，從而提高干旱敏感的湖北海棠（Malus hupehensis Rehder.）的耐旱性［62］。

2.4 MT應(yīng)答鹽脅迫

由于不合理灌溉及過度施肥導(dǎo)致的土壤鹽分增加，產(chǎn)生鹽脅迫。鹽脅迫會導(dǎo)致植物胞內(nèi)離子失衡、滲透壓增大、ROS 過度積累等次級脅迫，抑制細胞分裂和生長，導(dǎo)致莖葉發(fā)育不良，從而抑制農(nóng)作物的生長發(fā)育［69］。MT 作為抗氧化劑，可清除鹽脅迫產(chǎn)生的過量ROS，也可通過調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平，提高抗氧化酶CAT、POD 和SOD 的活性來清除ROS［70］。這些有助于維持細胞膜的穩(wěn)定性和完整性，減輕細胞膜損傷，并從鹽脅迫中恢復(fù)。

MT 可提高植物的耐鹽性。如上所述，MT 被認為是一種有效的內(nèi)源性自由基清除劑［71］。鹽脅迫下，MT 可促進苜蓿（medicago sativa L.）光合色素的合成，直接影響光合速率；同時提高Pro 和SP 含量，減輕滲透脅迫，降低MDA 含量，緩解因膜脂過氧化造成的膜損傷［72］。此外，MT 可調(diào)節(jié)鹽脅迫下ABA和GA 相關(guān)基因（GhABF2、GhDPBF2、GhGID1C 和GhGIDIB）的表達，來提高棉花（Gossypium hirsutum L.）種子的耐鹽性［73］。類似地，鹽脅迫可上調(diào)MT 合成相關(guān)基因（SNAT1、ASMT 和COMT）的表達，提高鹽芥（Eutrema salsugineum）中的MT 水平［74］。研究還發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下，經(jīng)MT 引發(fā)的朝天椒，其根、莖和葉中K+含量顯著降低，緩解鹽脅迫對植株的傷害，其中100 μmol/L MT 引發(fā)效果最好［75］。

類似地，MT 常與其他信號分子相互作用，調(diào)節(jié)植物體的氧化還原平衡，提高植物抗鹽性。MT 可提高L?/D 半 胱氨酸脫巰基酶（L?Dcysteine desulfhydrase, L?/DCD）的活性，誘導(dǎo)H2S 產(chǎn)生，從而調(diào)節(jié)光合效率和抗氧化酶基因的表達，提高抗氧化酶活性，緩解鹽脅迫下ROS 爆發(fā)［13］。此外，MT 可與NO、H2S 和分裂原活化蛋白激酶（mitogen?activated protein kinase, MAPK）信號級聯(lián)，誘導(dǎo)植物的耐鹽性［14,71,76］。

2.5 MT應(yīng)答重金屬脅迫

農(nóng)田土壤重金屬含量過高，是限制作物生長發(fā)育的重要脅迫因子之一。重金屬污染物主要包括鎘（Cd）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋁（Al）、砷（As）和鉻（Cr）［77］。重金屬脅迫會擾亂植物的光合作用、呼吸作用、新陳代謝和激素調(diào)節(jié)等生理過程，導(dǎo)致細胞代謝失調(diào)［78］。研究表明，MT 可降低重金屬在根部的積累，調(diào)節(jié)激素信號傳導(dǎo)途徑，平衡礦質(zhì)營養(yǎng)，增強抗氧化系統(tǒng)的防御能力，從而減輕重金屬離子對植物的毒害作用［79］。

MT 可提高植物重金屬脅迫耐性。MT 處理可增強抗氧化酶活性，清除ROS 的積累，從而減輕植物脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化損傷，緩解Al 的毒害作用［80］。MT 不僅可通過激活抗氧化系統(tǒng)，上調(diào)抗壞血酸-谷胱甘肽（ascorbate?glutathione pathway, AsA?GSH）循環(huán)相關(guān)基因的表達，調(diào)節(jié)Pro 和次生代謝物（secondary metabolites, SM）的水平，繼而提高辣椒對重金屬的耐受性［81］。此外，MT 和獨腳金內(nèi)酯（strigolactone,SL）協(xié)同作用，可通過調(diào)節(jié)抗逆相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)抗氧化系統(tǒng)和甲基乙二醛脫毒系統(tǒng)活力，減輕Cr 對番茄的毒害作用［82］。

同樣地，外源MT 可提高植物對Cd 的吸收、運輸和解毒相關(guān)基因（HA7、NRAMP1、NRAMP3、HMA4、PCR2、NAS1、MT2、ABCC1、MHX）的表達，從而減少蘋果植株地上部分對Cd 的積累，減輕Cd的毒害［83］。類似地，外源MT 還通過上調(diào)重金屬轉(zhuǎn)運蛋白基因，如ABC 和PCR2 的表達，減輕擬南芥中Cd 的積累［65］。說明在重金屬脅迫下，MT 一般以提高抗氧化系統(tǒng)活力和減少植物細胞積累重金屬的方式，來保護植物免受重金屬脅迫。

2.6 MT應(yīng)答紫外輻射和水澇脅迫

MT 可緩解紫外輻射對植物的傷害。長期的紫外輻射（ultraviolet?B, UV?B）會產(chǎn)生自由基，導(dǎo)致植物細胞膜脂過氧化，對植物造成傷害。如上所述，MT具有清除自由基的能力，保護細胞免受傷害（圖2）。在UV?B 脅迫下，MT 能有效減少ROS 的積累，保護細胞膜和光合色素的完整性，減少細胞的死亡［84］。此外，UV?B 輻射還可通過上調(diào)MT 合成基因（SNAT、COMT 和ASMT）來改變內(nèi)源MT 水平［85］，進而調(diào)節(jié)谷胱甘肽過氧化物酶2（GPX2）和谷胱甘肽過氧化物酶7（GPX7）基因的表達來緩解UV?B 損傷［86］。

類似地，MT 可提高植物的耐澇性。在強降雨和排水較差的地區(qū)，澇害是一種主要的非生物脅迫因子。MT 可通過提高光合色素含量，促進氣孔運動，提高PSII 的電子傳遞效率來增強花椒（Zanthoxylum armatum）的光合作用［87］。此外，MT 處理的獼猴桃（Actinidia chinensis var.），可提高根部γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA）和Pro 的含量，有助于提高植物的耐澇性［88］，暗示MT 與氨基酸代謝的交互作用。

3 總結(jié)與展望

雖然MT 在植物體內(nèi)含量較低，但其作為一種多效性的新興植物信號分子，不僅在種子萌發(fā)、氣孔運動、光合作用、植物生長和發(fā)育中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，而且在增強植物抗性方面的作用也已得到廣泛的認可。就目前的研究來看，幾乎所有的逆境脅迫和外源提供，都可促進植物細胞中MT的積累，引發(fā)MT 信號，繼而提高植物對高溫、低溫、干旱、鹽漬、重金屬、紫外輻射、水澇等逆境脅迫的抵御能力［8］?？偟膩碚f，MT 可通過多種機制賦予植物抵御非生物脅迫的能力，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）MT 可作為ROS 清除劑和/或信號分子，通過調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)的活力，清除逆境脅迫中植物過量積累的ROS，降低MDA 含量，減輕因膜脂過氧化造成的細胞損傷，維持細胞的氧化還原平衡；（2）MT可提高Pro、SS、LEA 和SP 等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，通過細胞滲透調(diào)節(jié)，減輕滲透脅迫傷害；（3）MT 可上調(diào)逆境脅迫相關(guān)基因表達，促進植物在逆境脅迫條件下次生代謝物的合成，維持代謝平衡；（4）MT可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運蛋白（如離子轉(zhuǎn)運器和重金屬轉(zhuǎn)運蛋白）的表達和活力，減輕鹽、重金屬的積累，以此緩解金屬離子的毒害作用；（5）MT 可通過與其他信號分子如Ca2+、NO、H2S、ABA、GA、JA、PA 等的交互作用，上調(diào)逆境脅迫響應(yīng)基因的表達，提高植物的脅迫應(yīng)答和適應(yīng)能力。

總之，近年來MT 在植物生物學(xué)方面的研究，取得了較大的進展，但仍有許多未知的地方需要繼續(xù)闡明。雖然目前已初步明確MT 可在細胞質(zhì)、葉綠體、線粒體中合成，但其代謝途徑及亞細胞定位，特別是分解代謝，尚未完全清楚。MT 與其他信號分子如Ca2+、H2S、NO、ABA、GA、JA、糖等在植物應(yīng)答非生物脅迫過程中的交互作用，雖已有初步報道［89-91］，但它們形成的信號網(wǎng)絡(luò)及交互作用的機理，仍有待補充和完善。雖然Wei 等［63］在擬南芥中，已鑒定到第一個定位于質(zhì)膜的MT 受體CAND2/PMTR1，但MT 作為兩親分子可透過生物膜，胞內(nèi)及其他細胞器中是否存在其受體，仍待探究。MT 從種子萌發(fā)到植物衰老，皆具有廣泛的生理作用，但相對于其他激素，其在植物生長發(fā)育和應(yīng)答逆境脅迫中的生理、生化及分子機理，有待于用生理、生化、分子、組學(xué)和多組學(xué)的手段進一步解析。