外源褪黑素通过调控活性氧系统增强黑绿豆抗旱性的生理机制研究

《Discover Plants》：Exogenous application of melatonin improves drought tolerance through ROS regulation in black gram (Vigna mungo L.)

本研究针对干旱导致黑绿豆(Vigna mungo L.)减产21-40%的产业问题，系统评估了外源褪黑素(MT)对VBN 11品种花期抗旱性的调控作用。研究发现120μM MT叶面喷施可显著改善根系构型（侧根数增加47.5%），提升水分利用效率11.5%，并通过激活SOD/CAT/APX等抗氧化酶系统，降低MDA和H2O2等氧化损伤指标。该研究为豆科作物抗逆栽培提供了新型植物生长调节剂应用方案。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，干旱已成为制约农业生产的主要非生物胁迫因素。作为南亚地区重要的豆类作物，黑绿豆(Vigna mungo L.)因其丰富的蛋白质含量和固氮能力，在保障粮食安全和维持农业生态系统可持续性方面具有重要作用。然而，该作物对干旱胁迫表现中度敏感，特别是在开花期遭遇水分短缺时，可造成21-40%的产量损失。传统育种方法改良作物抗旱性周期长、效率有限，因此探索外源植物生长调节剂的应用成为当前研究热点。

褪黑素(N-acetyl-5-methoxytryptamine, MT)作为一种在动植物中广泛存在的吲哚胺类分子，近年来被发现在植物抗逆调控中发挥多重作用。它不仅能够作为抗氧化剂直接清除活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)，还可通过调节植物激素信号通路影响根系发育和气孔运动。尽管已有研究表明褪黑素对小麦、番茄等作物的抗旱性有提升效果，但其在黑绿豆等豆科作物中的最佳应用浓度及作用机制尚不明确。

为此，Perumal等研究人员在《Discover Plants》发表了题为"Exogenous application of melatonin improves drought tolerance through ROS regulation in black gram"的研究论文，系统探讨了不同浓度褪黑素对黑绿豆抗旱性的调控效应。研究通过盆栽实验模拟干旱条件，采用完全随机设计，设置10个处理（包括8个褪黑素浓度梯度及2个对照）和4次重复。关键实验技术包括：根系形态学测量（根长、侧根数、根直径）、光合色素含量测定（SPAD值、叶绿素a/b）、生理指标检测（相对含水量RWC、水分利用效率WUE）、生化分析（总可溶性蛋白、硝酸还原酶活性、脯氨酸含量）以及氧化应激指标评估（MDA、H₂O₂、超氧阴离子）和抗氧化酶活性测定（SOD、CAT、APX、POD、PPO）。

3.1 干旱胁迫与褪黑素浓度的标准化

通过设置20%-100%田间持水量的5个干旱梯度，研究发现60%田间持水量能诱导黑绿豆产生稳定的中度干旱胁迫表型，因此将该胁迫水平作为主实验条件。在20-160μM的褪黑素浓度筛选中，120μM处理表现出最显著的抗逆改善效果。

3.2 褪黑素增强干旱胁迫下的根系构架和水分利用效率

干旱胁迫使主根长度增加25.7%，但120μM褪黑素处理使根长回调至仅比正常供水高4.2%。同时，该处理使侧根数量从21条增至40条（提升47.5%），根直径从0.38cm增至0.50cm（增加24%）。根系干重提高18.7%，水分利用效率(WUE)从1.69g/kg提升至1.91g/kg。根密度指数从40.0降至23.6，表明褪黑素诱导根系从伸长生长向径向扩张转变。

3.3 褪黑素增强光合色素组成和水分状态

120μM褪黑素使叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量分别提高37.0%、14.1%和30.8%。叶绿素a/b比值提升26.7%，类胡萝卜素含量增加56.1%，SPAD值和相对含水量(RWC)分别提高27.5%和12.6%，说明褪黑素有效缓解了干旱引起的光合系统损伤和水分亏缺。

3.4 褪黑素调控干旱下的生化参数

在生化层面，120μM褪黑素使总可溶性蛋白含量和硝酸还原酶活性分别提升32.1%和37.5%。脯氨酸积累量增加32.5%，而过氧化产物丙二醛(MDA)含量降低55.7%，活性氧组分H₂O₂和超氧阴离子分别减少187.6%和65.5%，表明褪黑素通过增强渗透调节和减轻氧化损伤来维持细胞稳态。

3.5 褪黑素增强干旱下的抗氧化酶活性

抗氧化酶系统检测显示，120μM褪黑素处理使过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、超氧化物歧化酶(SOD)和多酚氧化酶(PPO)活性分别提高32.1%、27.8%、41.2%和36.4%。DPPH自由基清除率提升21.9%，证实褪黑素同时激活了酶促和非酶促抗氧化防御途径。

研究结论与讨论部分指出，褪黑素通过多维度机制增强黑绿豆抗旱性：在形态层面优化根系构型，促进水分吸收；在生理层面维持光合器官稳定性；在分子层面激活抗氧化基因表达和氮代谢通路。特别值得注意的是，褪黑素可能通过调控生长素信号通路影响侧根发生，并通过调节ABA（脱落酸）生物合成基因NCED3和降解基因CYP707A的表达来平衡气孔运动。该研究首次在黑绿豆中确立了120μM为褪黑素最佳抗逆浓度，为豆科作物抗逆栽培提供了可推广的化控技术方案。由于褪黑素具有天然、易降解、生物相容性好等特点，其在可持续农业发展中的应用前景广阔。未来研究可进一步解析褪黑素与其它植物激素的互作网络，以及在不同土壤类型和气候条件下的田间验证。