拟南芥中PIF4依赖的2-羟化褪黑素与3-羟化褪黑素生物合成参与暗形态建成幼苗生长的分子机制

这篇研究揭示了拟南芥中PIF4/5转录因子通过结合E-box元件直接调控2-羟化褪黑素（2-OHM）和3-羟化褪黑素（3-OHM）合成酶基因M2H/M3H的表达，进而激活赤霉素（GA）和油菜素内酯（BR）信号通路，促进暗形态建成（skotomorphogenesis）的分子机制。双突变体m2hm3h表现出与pif4pif5相似的矮化表型，证实了羟化褪黑素作为新型植物生长调控分子的关键作用。

　　

拟南芥中羟化褪黑素的生物合成与功能验证

研究团队首先通过体外酶动力学实验证实了拟南芥M2H（AtM2H）的催化活性，其K_m值为355 μM，V_max为1.02 nmol/min·mg蛋白，与水稻M2H活性相近。亚细胞定位显示AtM2H定位于叶绿体，暗示其可能参与光响应代谢途径。

昼夜节律与光信号调控网络

通过RT-PCR分析发现，M2H和M3H的表达呈现夜间高峰的昼夜节律模式，且在phyB突变体中呈现组成型高表达，表明光敏色素PhyB对其具有抑制作用。值得注意的是，pif4pif5双突变体中M2H/M3H的夜间表达显著受抑，而BR信号缺陷突变体bri1中几乎检测不到M2H转录本，揭示了PIF4/5和BR信号通路对羟化褪黑素合成的级联调控。

遗传表型与分子机制解析

构建的m2hm3h双突变体表现出显著矮化表型：黑暗条件下 hypocotyl 长度较野生型缩短40%，且生物量减少50%。免疫印迹显示突变体中PIF4蛋白水平降低而DELLA蛋白积累，这与COP1 E3泛素连接酶活性下降相关。通过染色质免疫共沉淀（ChIP）和电泳迁移率实验（EMSA）证实PIF4直接结合M2H启动子的E1（CAAATG）和M3H启动子的E3（CACATG）元件。

激素通路的交叉调控

种子吸胀实验表明，外源2-OHM+3-OHM处理可诱导GA合成基因GA20ox1和BR合成基因BR6ox2的表达，增幅达3-5倍。与此呼应，m2hm3h在种子萌发阶段显示GA3ox2和BR6ox2表达量降低50%，但在5周龄叶片中仅BR响应基因BEE1显著下调，表明羟化褪黑素主要通过调控胚胎后发育早期的激素合成影响生长。

进化的功能分化与农业应用潜力

与动物中褪黑素作为昼夜节律调节剂不同，植物通过羟化修饰将其转化为2-OHM/3-OHM这类具有独特功能的信号分子。在番茄中异源表达M3H可加速叶片衰老，而水稻M2H过表达则导致体细胞胚胎致死，暗示不同物种间羟化褪黑素功能的多样性。该研究为作物株型改良提供了新靶点——通过调控M2H/M3H表达可能实现株高和生物量的精准调控。

未解之谜与未来方向

尽管证实了PIF4-BZR1异源二聚体可能参与调控M2H/M3H转录，但羟化褪黑素受体尚未鉴定。此外，2-OHM在诱导活性氧（ROS）产生方面的分子机制，以及3-OHM调控开花时间基因FT表达的具体途径，仍是值得深入探索的科学问题。