综述：褪黑素在植物根际中的微生物相互作用

本综述系统阐述了褪黑素（Melatonin）作为植物与微生物相互作用的关键信号分子，在农业可持续发展中的前沿进展。文章深入探讨了植物与微生物中保守且多样的褪黑素生物合成途径（涉及TDC、T5H、SNAT、ASMT等关键酶），及其在调控植物昼夜节律、与非生物胁迫（如干旱、盐碱、重金属）耐受性中的核心作用。特别聚焦于利用基因工程微生物（如工程化大肠杆菌E. coli和酿酒酵母S. cerevisiae）及合成微生物群落（SynComs）作为新型生物递送系统，通过根际微环境原位生产褪黑素，从而增强作物抗逆性和促进生长，为开发下一代气候智能型农业投入品提供了创新策略。

　　

褪黑素生物合成途径在植物与微生物中的保守性与多样性

褪黑素在植物和微生物体内的合成均始于色氨酸（Tryptophan）。在植物中，其生物合成途径具有多步骤和亚细胞区室化的特点。色氨酸首先通过色氨酸脱羧酶（Tryptophan Decarboxylase, TDC）转化为色胺（Tryptamine），随后色胺在色胺5-羟化酶（Tryptamine 5-Hydroxylase, T5H）催化下于内质网中生成5-羟色胺（Serotonin）。另一条并存路径则是由色氨酸5-羟化酶（Tryptophan 5-Hydroxylase, TPH）先将色氨酸转化为5-羟色氨酸（5-HTP），再由TDC将其脱羧生成5-羟色胺。

5-羟色胺后续的修饰步骤是其被5-羟色胺-N-乙酰转移酶（Serotonin N-Acetyltransferase, SNAT）乙酰化形成N-乙酰-5-羟色胺（N-Acetylserotonin），或被乙酰-5-羟色胺-O-甲基转移酶（Acetylserotonin O-Methyltransferase, ASMT）甲基化。在叶绿体中，芳基烷胺N-乙酰转移酶（Arylalkylamine N-Acetyltransferase, AANAT）或SNAT能催化5-羟色胺转化为N-乙酰-5-羟色胺，也能将色胺乙酰化为N-乙酰色胺。最终，N-乙酰-5-羟色胺在细胞质中被ASMT或咖啡酸-O-甲基转移酶（Caffeic Acid O-Methyltransferase, COMT）甲基化，生成褪黑素。植物还存在替代路径，例如SNAT可直接乙酰化色胺形成N-乙酰色胺，进而转化为褪黑素，显示出其合成途径的生化灵活性。

相比之下，微生物（如大肠杆菌E. coli和酿酒酵母S. cerevisiae）的褪黑素合成途径与植物和动物具有基础相似性，但也存在独特之处。其合成同样始于色氨酸，由TPH羟化生成5-HTP，再由5-羟色氨酸脱羧酶（5-Hydroxy-L-Tryptophan Decarboxylase, DDC）转化为5-羟色胺。随后，5-羟色胺在芳基烷胺-N-乙酰转移酶（AANAT）作用下生成N-乙酰-5-羟色胺，最后通过ASMT甲基化形成褪黑素。

辅因子依赖系统在微生物合成中至关重要。四氢生物蝶呤（Tetrahydrobiopterin, BH₄）作为羟化反应的电子供体，S-腺苷甲硫氨酸（S-Adenosylmethionine, SAM）循环则为最后的甲基化步骤提供甲基供体。微生物途径展现出高度的可塑性，其关键酶（如TDC、AANAT）的表达受氧化胁迫、营养可用性等环境因素调控，使褪黑素能在微生物细胞中作为抗氧化剂、信号分子和代谢调节剂发挥作用。

褪黑素作为植物生物节律调节剂的核心功能

褪黑素在植物中扮演着与哺乳动物类似的生物节律调节角色。研究表明，植物体内褪黑素水平呈现昼夜波动，黑暗期间浓度显著升高，这与哺乳动物的模式相似。这种节律性变化提示褪黑素参与调节植物的光暗周期。

植物的昼夜节律振荡器能调整基因表达、代谢调控和蛋白质稳定性等多种生物过程的相位，使其与日/季节周期同步。这种调节能增强光合作用和生长速率，并可能影响作物开花、种子产量及对生物/非生物胁迫的响应。研究发现，拟南芥（Arabidopsis thaliana）中由黑暗诱导的气孔关闭与褪黑素受体PMTR1（原CAND2）激活的NADPH氧化酶依赖性活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）产生有关。尽管多种因素（如非生物胁迫、植物发育阶段）会显著影响内源褪黑素水平，且其在不同植物器官间浓度差异很大，但现有证据强有力地支持褪黑素的昼夜节律在植物中存在。

褪黑素与植物激素网络的复杂交叉对话

褪黑素不仅作为保护剂抵御环境胁迫，更作为多功能信号分子，通过调节植物激素网络来改变生理响应。它与内源植物激素的相互作用发生在生物合成、运输、信号传导和基因表达等多个层面。

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  与生长素（Auxin/IAA）的协同作用： 褪黑素在调节根发育中与生长素功能相似。它能调控生长素相关基因（如AUX/IAA、PINs）的表达，影响生长素的合成、运输和信号传导。在拟南芥和水稻中，褪黑素与生长素协同作用，通过激活生长素信号通路依赖的机制促进侧根发育和根系构建。
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  对赤霉素（Gibberellic Acid, GA）和脱落酸（Abscisic Acid, ABA）的调控： 在胁迫条件下，褪黑素能上调GA生物合成关键基因（GA20ox, GA3ox），刺激GA生物合成，促进生长。同时，它通过下调ABA生物合成关键酶9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶（NCED）基因表达、上调ABA降解基因（CYP707）来降低ABA水平，如在黄瓜种子萌发和苹果叶片干旱胁迫响应中所见。这种对GA和ABA的拮抗性调节有助于缓解胁迫抑制。
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  影响乙烯（Ethylene）和细胞分裂素（Cytokinin, CK）： 褪黑素处理可激活番茄等果实中乙烯生物合成基因（ACS, ACO），影响果实成熟和品质。它与CKs在胁迫条件下存在协同关系，能维持CK水平、延缓叶片衰老，而CKs也能上调褪黑素合成基因，形成双向互惠调节。
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  与水杨酸（Salicylic Acid, SA）和茉莉酸（Jasmonic Acid, JA）的互作： 褪黑素通过上调SA和乙烯信号通路依赖的病程相关（PR）基因，增强植物对病原体的免疫力。其与JA的相互作用则更为复杂，具有情境依赖性，在某些情况下增强JA介导的防御反应，而在另一些情况下（如盐胁迫下）通过诱导JA信号通路抑制蛋白JAZ的表达来抑制JA信号，以促进耐盐性和生长发育。

产褪黑素微生物的应用与基因工程进展

多种微生物，包括酵母（如Pichia kluyveri, Saccharomyces cerevisiae）、细菌（如Variovorax, Bacillus, Pseudomonas fluorescens）以及乳酸菌等，均被证实可产生褪黑素。这些微生物在发酵过程中，褪黑素不仅作为目标产物，还作为代谢调节剂和抗氧化剂，通过清除ROS增强微生物自身的胁迫耐受性，维持细胞稳态，从而有利于工业化发酵和代谢物生产。

利用合成生物学和代谢工程手段构建高产褪黑素的微生物细胞工厂已成为一种可持续的生产替代方案。策略包括：

1. 1.
   引入异源合成途径： 将来自动物（如人类）、植物（如水稻）或其他微生物（如链霉菌）的褪黑素合成关键酶基因（如TPH, DDC, AANAT, ASMT/COMT）导入大肠杆菌或酿酒酵母等模式微生物。
2. 2.
   优化辅因子供应： 增强BH₄的生物合成与再生途径，以支持TPH的羟化活性；过表达SAM循环相关基因，确保甲基供体充足。
3. 3.
   强化前体供应与减少分流： 通过基因编辑（如删除色氨酸酶tnaA基因）减少色氨酸向其他途径（如吲哚）的流失，引导代谢流向褪黑素合成。
   通过上述策略，工程菌株在摇瓶和生物反应器中的褪黑素产量已显著提升，展示了微生物发酵生产褪黑素的巨大潜力。

褪黑素对根际及土壤微生物组的塑造作用

褪黑素作为根际中的调节分子，能影响微生物群落的多样性、组成和功能。外源施加褪黑素可改善根际环境，促进土壤酶活性，改善养分循环。

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  对细菌群落的影响： 褪黑素促进变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）等有益菌群的生长，这些菌群在固氮、解磷及增强对干旱、重金属等胁迫的抵抗力方面发挥关键作用。同时，它还能减少某些硝化细菌（如Halomonas）的丰度，调节氮循环。
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  对真菌群落的影响： 褪黑素降低含有许多病原菌的子囊菌门（Ascomycota）相对丰度，同时促进有益真菌如球囊菌门（Glomeromycota，丛枝菌根真菌AMF）和担子菌门（Basidiomycota）的生长。它能增加被孢霉（Mortierella）和青霉（Penicillium）等有益属的丰度，并支持木霉（Trichoderma）等生防真菌，抑制镰刀菌（Fusarium）等病原菌。

这些变化共同增强了土壤健康、养分动态和植物胁迫耐受性。

面向可持续农业的根际微生物组工程策略

将工程化的微生物组整合到农业系统中，通过合成微生物群落（Synthetic Communities, SynComs）或基因工程微生物来增强植物健康、胁迫耐受性和养分吸收，是当前的研究前沿。

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  合成微生物群落（SynComs）： 由经过合理选择和组合的特定微生物类群构建，比单一菌剂具有更好的功能冗余性和生态适应性。
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  基因工程微生物： 通过合成生物学工具，创建能够对植物信号（如糖、生长素、群体感应分子）做出反应、动态调节植物促生特性的工程菌。例如，构建能响应胁迫信号原位生产褪黑素的工程菌株。

尽管实验室研究取得了成功，但工程微生物群落的田间应用仍面临生态可变性、土壤环境复杂性、监管框架和公众接受度等挑战。将工程化产褪黑素微生物与既有的农艺措施（如垄作、疏果）相结合，可能是提供有效解决方案的关键。

产褪黑素工程微生物组在农业中的应用潜力与挑战

利用产褪黑素工程微生物组（无论是通过SynComs设计还是基因改造获得）来缓解由生物和非生物因素引起的植物生态失调，提高作物生产力和胁迫恢复力，前景广阔。与直接施用高成本的化学合成褪黑素相比，微生物原位生产提供了一种更具成本效益和可持续性的替代方案。

然而，其应用也面临挑战：工程菌株在田间的存活、定殖能力及其对土著微生物群的潜在影响需要深入研究；水平基因转移和意外生态效应的风险必须仔细评估；许多国家对转基因微生物的田间释放存在严格的监管限制；公众接受度也是一个重要障碍。未来的努力方向应包括设计严格调控的褪黑素生物合成基因回路，以及加强实验室机制研究与田间结果对比，开发能够补充农艺实践、在多样化农业生态系统中提供可靠恢复力的胁迫特异性合成微生物群落。