植物经常面临各种各样的非生物环境压力，这些压力往往会降低生产力；这些压力包括寒冷、干旱、冰冻、洪水、伤害、高温和紫外线-B（UV-B）辐射。影响植物生长和发育速率的UV-B胁迫尤其令人担忧，因为自20世纪80年代以来，由于高层大气中臭氧水平的下降，到达地球表面的UV-B数量一直在稳步增加。UV-B是电磁光谱中三类紫外线辐射之一；另外两类是UV-A和UV-C。UV-B已被证明能在研究充分的模式植物拟南芥（芸苔科）中触发差异基因表达。褪黑素（N-乙酰基-5-甲氧基色胺）在植物抵御多种生物和非生物胁迫，包括UV-B胁迫中发挥着重要作用。褪黑素在植物UV-B反应中的作用机制尚不清楚。

2020年8月29日，西北大学生命科学学院徐子勤教授、黄萱副教授组在Plant, Cell & Environment（IF:6.362）发表题为“Role of melatonin in UV‐B signaling pathway and UV‐B stress resistance in Arabidopsisthaliana”的研究论文，揭示了褪黑素在拟南芥UV-B信号通路及UV-B胁迫抗性中的作用。

UV-B和褪黑素处理对抗氧化酶和MDA含量的影响

在应对各种非生物胁迫时，褪黑素起到了防御作用，帮助植物体内的抗氧化系统保护植物免受损害。在UV-B处理前，用0.1mm褪黑素对植物进行预处理，并测定其各项生理指标和抗氧化酶活性。褪黑素预处理抑制UV-B诱导的H2O2和MDA的增加，使UV-B处理的植株的H2O2和MDA水平分别降低到对照值的57.1%和50.9%。

在正常情况下，抗氧化酶在体内保持稳定的活性。UV-B处理组POD和CA-T活性均被诱导，MT+UV-B双处理组POD和CA-T活性均进一步升高至较高水平。这些研究结果表明，褪黑素影响拟南芥的抗氧化系统，并表明褪黑素除了作为抗氧化剂和自由基清除剂外，还参与调节基因转录的信号通路。

图1：外源褪黑素对UV-B胁迫下抗氧化系统的调节作用

褪黑素生物合成的改变影响褪黑素介导的UV-B反应

为了进一步阐明内源性褪黑素在UV-B信号通路中的作用，我们通过农杆菌介导的转化产生了一个SNAT过表达系，并选择了两个表现出SNAT高表达的独立转基因系进行后续分析。以往的实验表明，内源性褪黑激素生物合成改变的结果与外源性褪黑激素的应用结果一致。UV-B信号通路中的阳性调控基因在SNAT高表达株系中表现出早期、大幅度的增加，而SNAT敲除突变体的应答较晚。这种趋势在负性调节基因中更为明显，表明促进内源性褪黑素合成对UV-B信号通路有积极的调节作用。

图2:SNAT高表达株系中褪黑激素的含量。

本研究首次证明褪黑素调节UV-B信号通路并改变基因表达以影响UV-B暴露的防御反应中的抗氧化系统。褪黑素延迟并随后增强COP1、HY5、HYH和RUP1/2的表达，这些在UV-B信号通路中起中枢作用，从而调节它们对抗氧化系统的作用，从而保护机体免受UV-B伤害。

参考文献：【1】Afreen F., Zobayed S.M.A.& Kozai T. (2006) Melatonin in Glycyrrhiza uralensis. Response of plantroots to spectral quality of light and UV-B radiation. Journal of pinealresearch  41, 108–115. 【2】Arnao M. &Hernández-Ruiz J. (2020) Is Phytomelatonin a New Plant Hormone? Agronomy  10, 95.【3】Arnao M.B. (2014)Phytomelatonin. Discovery, Content, and Role in Plants. Advances in Botany2014, 1–11.

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.13879