褪黑素属吲哚类激素，是一种广泛存在于动植物体内的多效小分子物质，作为一种微量、高效的天然植物信号分子，在植物生长发育、非生物胁迫、采后保鲜等方面已被广泛报道。近年来研究发现褪黑素在诱导果实抗病性方面发挥着积极作用。
贵州大学彭俊森、林欣和董晓庆*等人总结近年来褪黑素对病原菌的离体和果实活体影响，综述其对病原菌胁迫下的抗病作用以及诱导果实抗侵染性病害的机制，以期为褪黑素在果实抗病性研究提供理论依据。
01 褪黑素处理对果实侵染性病害及病原菌生长的影响
褪黑素对侵染性病害的影响
褪黑素在果实体内对侵染性病原菌的影响实验能较为直观地模拟其在真实生长环境下的抑制作用，目前褪黑素已在苹果、葡萄和番茄等果实上进行了诱导抗性研究。研究发现，褪黑素在果实上对于防治侵染性病害具有较好效果。 研究表明，褪黑素处理并不能抑制病菌菌丝的生长。虽有部分研究证实褪黑素可以抑制菌丝生长，但其往往是高浓度抑制作用。结合电子显微镜观察发现，其抑制效果体现在高浓度下会引起致病菌菌丝尖端扭曲，破坏其细胞器，使得细胞质大量空隙生成，从而导致菌丝的生长缺陷。因为褪黑素与生长素具有共同前体物质色氨酸，其存在与生长素类似的浓度梯度作用。以上研究表明褪黑素应用于不同侵染病害致病菌的体外防治效果各有差异，差异主要体现在褪黑素使用浓度以及病原菌的种类等。 分析上述研究得出影响褪黑素诱导果实抗性效果的因素主要有以下三点：有效浓度、施用方法和处理时间。通过表1可知，褪黑素对果实的有效浓度范围大致在0.05～0.10 mmol/L；其施用方法主要分为浸泡、注射和喷施。而处理时间作为一个重要的引用参数，存在较大差异，这是因为其处理时间因果实种类、组织结构而异。
02 褪黑素诱导果实抗侵染性病害的机制
褪黑素诱导植物防御反应的快速表达可以有效减少病害的发生，目前已得到了诸多研究的证实。褪黑素协助果实抵抗侵染性病原物的研究总结其诱导的抗病机制如图1所示。
由图1可知，果实固有的物理结构包括角质层和细胞壁是抵御真菌入侵的第一道物理屏障。外源褪黑素被证实可以穿过植物细胞壁，通过强化果实细胞壁结构以及减轻膜脂受损程度以抵抗病原体侵染。
与细胞壁紧邻的细胞膜是由磷脂构成的半透性膜，其结构完整性以及流动性是保证胞内环境各种防御反应能有效进行的先决条件。如图1所示，褪黑素作为一种亲水又亲脂的吲哚类化合物能在细胞间自由穿梭，其能抑制番石榴中上述膜脂降解相关酶活性来提升抗病性，还能延缓冬枣接种黑斑病后的相对电导率以及丙二醛含量的上升。
角质的生物合成也与脂质转移蛋白有关，因为后者负责磷脂和其他脂肪酸基团在细胞膜之间的穿梭。以上研究表明褪黑素通过强化果实细胞壁结构以及减轻膜脂受损程度以抵抗病原体侵染。
植物体内形成具有抗菌作用的次生代谢产物主要包括酚类、类黄酮、木质素、生物碱等，与细胞壁共同抵御病原物侵染。这些化合物主要是由苯丙烷代谢途径所合成，通过诱导膜脂过氧化来抑制病原体，从而破坏真菌细胞膜通透性和线粒体功能（图1）。PAL位于苯丙烷代谢的最上游，而C4H、4CL是苯丙烷合成途径中的相关限速酶。PAL、C4H和4CL负责合成广义酚类物质的一般合成前体，即对香豆酰辅酶A。近来人们发现外源褪黑素处理增加苹果、樱桃番茄和荔枝果实中PAL、C4H和4CL活性，提高番石榴、李、冬枣中总酚、类黄酮和木质素含量来诱导果实抗性。 植物体内有复杂的免疫系统来抵御生物胁迫。当真菌通过释放几丁质或分泌植物细胞壁降解酶来改变或降解宿主细胞壁时，这些病原体相关分子模式被位于植物细胞质膜上的PRR识别后激活病原物相关分子模式激发免疫系统，从而启动植物的基础防卫反应（图1）。而启动防卫反应则需要激活包括ROS、NO、植物激素和MAPK级联等信号转导途径来实现。 ROS的产生是植物与病原体相互作用过程中最早的信号传导途径之一，其在侵染部位快速而短暂积累被称为氧化爆发，从而抵御病原体入侵。而褪黑素作为防御信号分子也受到ROS的调控。如图1所示，ROS中如过氧化氢能促进植物褪黑素生物合成基因和内源性植物褪黑素的表达，以响应生物胁迫，同样褪黑素也能诱导ROS生成。 褪黑素与ROS在诱导果实抗性上有较为复杂的关系，但可以证实的是ROS在果实中发挥着抗病的关键作用。研究表明，在NADPH氧化酶突变体rbohD/F拟南芥中褪黑素在ROS爆发的下游起作用，且认为当生物体从无氧代谢向有氧代谢转变时，ROS和褪黑素是同时进化的。在生物胁迫下植物内源褪黑素、ROS和RNS形成褪黑素-ROS-RNS反馈回路假说中，虽然其模型也能适用于果实中，但是不同组织器官中内源褪黑素含量差异较大，果实内是否具有假说中所涉及到的感病后期一系列内源褪黑素的自我调节作用还需要进一步研究证实。
NO作为二级信使积极参与植物对各种生物胁迫的防御反应中。植物内源NO的产生由Ca2＋信号转导途径来控制，而最初研究褪黑素与NO之间关系时发现，NO清除剂能够显著抑制由外源褪黑素诱导的拟南芥内源NO升高，并证实NO是褪黑素介导拟南芥免疫反应中的下游信号，类似情况也存在于西瓜叶片。褪黑素在面对不同病原体时介导的NO信号可能具有选择性，两者在果实内的交互关系有待进一步证实。 诱导植物激素的产生是植物继局部免疫反应后将抗病信号进一步传递给其余部位的重要通路之一，主要包括SA、JA、ET等。这些激素是植物响应多种病原菌入侵机制中的关键信号分子，且与褪黑素交互协作调控植物免疫信号网络。褪黑素在不同果实中所诱导的植物激素通路间有差异，而这主要是由SA、JA及ET之间存在的串扰关系所引起。褪黑素如何调控果实中上述激素信号通路之间的关系，以及针对不同物种上响应机制的差异仍需要进一步研究。 MAPK级联在植物细胞中参与生物胁迫、植物激素和细胞周期等信号转导，是一个普遍的信号转导机制，由MAPK激酶激酶、MAPK激酶和MAPK这3 种激酶组成。褪黑素诱导MAPK级联上游中的MAPK激酶3和氧化信号诱导型激酶1（OXI1）来介导植物先天免疫。 MAPK信号通路最终传导至细胞核激活防卫基因的表达从而编码产物响应病原菌的入侵，这些产物中PRs的积累是植物诱导抗性中SAR的标志。褪黑素通过刺激转录因子来调控下游病程相关蛋白基因的表达。让果实处于“待激发”状态下时不仅增强其响应生物胁迫的能力，且更具广谱性。 外源褪黑素通过提升能量代谢中酶活性保持荔枝果实维持较高的ATP水平以及能荷，以减轻其病害，且从透射电子显微镜下观察到褪黑素处理的线粒体结构依然完整。但是目前有关褪黑素在生物胁迫下调控能量代谢方面的研究还较少，因此还需更多理论支撑研究。 褪黑素作为一种高效的分子信号物质，其在生物胁迫下通过强化果实细胞结构和减轻膜脂受损程度以及诱导苯丙烷代谢实现增强果实结构抗性，并激活ROS、NO、植物激素以及MAPK等信号通路调控网络，增强PRs以及能量的积累来抵抗病原菌的侵染。
但目前在果实研究中人们尚未完全弄清褪黑素抗病机制模式以及信号传导机理。如ROS代谢中褪黑素在果实染病后期是否存在自我调节作用，以及明确决定褪黑素发挥的是抗氧化还是与受体结合依赖性功能的浓度临界值，这需要更多有关植物褪黑素受体的探究加以证实。采后果实为维持正常生理活动仍然进行呼吸作用，糖类作为呼吸作用的底物被消耗，当遭遇微生物侵袭时呼吸作用加强，其所引起的防御反应中包括加固自身植物细胞壁这一过程，而加固的过程需要多糖（如纤维素等）的积累，褪黑素又能够改变呼吸代谢途径且控制能荷的比值来降低呼吸速率。因此未来研究褪黑素如何调控果实内糖、呼吸与膜脂代谢之间的交互关系具有重要意义。 能量代谢和挥发性组成也将是褪黑素诱导果实抗性研究的重点方向，随着组学技术的发展，挖掘更多的代谢途径将为研究采后果实病害提供丰富的视角。目前为止，生长素、脱落酸等植物激素也被证实参与褪黑素调控植物与病原体的互作，多组学联合分析为解释果实内褪黑素与生物胁迫下相关植物激素之间的串扰关系提供了可能。此外，长非编码RNA也是许多生物过程中的重要调节因子，包括在植物防御反应调控网络中。进一步分析褪黑素在诱导果实抗性中如何与lncRNA协调作物抗性为今后研究褪黑素的调控机制指明了方向，也有助于确定潜在的候选编辑基因，以提高果实对真菌病原体的广谱抗性。另外通过编辑调控元件对mRNA进行翻译控制可能是诱导园艺作物抗性的另一种有效方法。上游开放阅读框在真核生物mRNA翻译调控中具有广泛的调节作用，而找到褪黑素与这些调控元件间的关系也将为拓宽其抗性理论提供可能。 相比于应用较为广泛的纳他霉素，褪黑素同样存在水溶解度低、对光敏感等不足，但褪黑素亲水亲脂的特性使其很容易被果实吸收从而渗透到每一个亚细胞区域，而外源褪黑素处理也能提高果实内源褪黑素含量，褪黑素也是人体能够分泌的调节睡眠的激素之一，人食用后不会造成安全问题。采后侵染性病害的发生多数是病原菌在果实生长发育时就已侵染，之后经历潜伏期并在贮藏过程中大面积爆发，从而造成严重的经济损失。就目前而言，褪黑素较多地应用于采后抗性的研究，而有关采前喷施的相关报道较少，未来应注重此方面的研究，并结合相应的生防菌、杀菌剂以及相应的诱抗剂组成复合型绿色防治药剂，同时根据病原菌田间侵染规律有针对性地喷施，从而为果实采后保鲜提供技术支撑。此外，内源褪黑素是否作为果实抵抗病原菌侵染的关键因子也需要深入研究，以解析其参与果实的防御反应、代谢调节等机理过程。 6-羟基褪黑素、N-乙酰-5-羟色胺和5-甲氧基吲哚乙酸等褪黑素代谢物的生理活性高于褪黑素，但仅在动物研究中有所报道，未来应加强这类物质在植物相关领域的研究。同时，对褪黑素化学结构中的5位甲氧基和N-乙酰基等起决定性作用的官能团进行化学改性可获得不 同的褪黑素衍生物，进一步结合其他的功能改良剂可应用于果实采后贮藏。 本文《褪黑素诱导果实采后抗病性研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷第9期349-357页，作者：彭俊森，林 欣，张 琴，万 璇，聂娇娇，罗登灿，龙友华，董晓庆*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220607-069。
