褪黑素是一种吲哚类色胺，化学名称为N-乙酰-5-甲氧基色胺，褪黑素是一种广为人知的动物激素，参与脊椎动物的生理调节，包括昼夜节律和光周期反应，因此常用于调整由于飞行时差或其他睡眠失调导致的生物钟紊乱，改善睡眠、治疗神经衰弱。由于褪黑素具有与生长素类似的结构和功能、可以在组织内自由移动、直接清除自由基、对光照敏感等特性，褪黑素也是一种新的植物生长调节剂。褪黑素能够调节种子发芽、根系生长、开花、叶片衰老、果实成熟等生育过程，还能通过缓解重金属、盐碱离子、紫外辐射、低温、干旱等环境胁迫以及病菌、害虫等生物胁迫对高等植物的损伤，赋予植物抵抗不良环境的能力，帮助植物生存。

 

1 植物褪黑素的合成代谢

1.1植物褪黑素的合成途径
植物自身可以合成褪黑素的前体色氨酸，由色氨酸生成褪黑素需要经过4个连续的酶促反应，这4个酶分别为色氨酸脱羧酶（TDC）、色胺-5-羟化酶（T5C）、5-羟色胺-N-乙酰基转移酶（SNAT）、N-乙酰基-5-羟色胺-甲基转移酶（ASMT），此外咖啡酸-O-甲基转移酶（COMT）在催化褪黑素合成的后两步反应中也起着重要作用(图1)。TDC、T5H主要催化色氨酸产生血清素，SNAT、ASMT主要催化血清素形成褪黑素，T5H、SNAT由单拷贝基因编码，TDC、ASMT由至少三拷贝的小基因家族编码，4种酶基因的过表达或抑制分析表明TDC和SNAT可能是植物褪黑素合成的限速酶。

1.2植物褪黑素的合成场所
褪黑素是一种既具有亲水性又具有亲脂性的小分子物质，很容易在组织细胞间转移，并且植物褪黑素的积累受环境因素影响较大，这为研究其合成部位带来了很大的困难。研究发现植物中线粒体和叶绿体是褪黑素的合成场所，并且在大多有机体中褪黑素从线粒体和叶绿体中合成并转移到其他组织或器官中发挥作用。线粒体是氧化磷酸化合成ATP的场所，叶绿体是光合作用进行的场所，同时他们也是产生自由基和氧化胁迫的最主要部位，这些自由基的快速产生能对蛋白质、膜、核酸等造成伤害，为了避免遭受这种损伤，植物需要强烈的保护作用来维持正常的生理功能，褪黑素能高效的清除自由基，从进化的角度来说褪黑素在线粒体和叶绿体中产生 是可以解释的。正常情况下叶绿体是植物产生褪黑素的主要场所，如果正常的过程被阻断，例如转录被抑制，褪黑素的主要合成部位由叶绿 体转为线粒体。

 

2 植物褪黑素的生理学功能

2.1 促进离体细胞膨大
研究发现，褪黑素促进了离体白化羽扇豆下胚轴的生长，作用方式与植物生长素IAA类似，而且褪黑素在羽扇豆组织中的浓度分布梯度也与IAA相似，后续又在单子叶植物小麦、大麦、燕麦的胚芽鞘上验证了该实验结果。褪黑素促进生长的活性约为IAA作用效果的10%~50%，特别值得注意的是褪黑素对单子叶植物根生长的抑制作用也与IAA相似。通过测试不同浓度褪黑素、IAA、激动素对羽扇豆子叶膨大的促进作用，实验发现褪黑素和IAA的作用效果都不如激动素明显，结合子叶干重变化数据得出褪黑素和IAA主要通过促进了细胞的膨大来达到促进生长的效果，而激动素作为一种细胞分裂素则是促进了细胞分裂使得细胞数目增多进而促进生长。
2.2 促进根的再生
除了对离体组织膨大的促进作用外，研究表明褪黑素处理还有助于侧根与不定根的再生。植物组织再生的关键因素是生长素及其浓度，根的再生主要依赖于IAA浓度及其向再生部位的运输。在诱导侧根再生的实验里外源添加褪黑素显著增加了侧根的数目，这和IAA的诱导效果一致。显微观察发现在IAA和褪黑素的分别诱导下中柱鞘细胞均产生了新的根原基，随着时间增加，不定根的数目与长度和侧根数目也会增加。选用贯叶连翘作为外植体材料，利用组织培养的手段进行探索，研究表明改变植物组织内的褪黑素浓度会对根的发育产生影响。生长素能够诱导生根，细胞分裂素能够诱导出芽，内源褪黑素的浓度升高或添加褪黑素运输抑制剂会改变该模式。
2.3 清除自由基

褪黑素被证实是目前已知的抗氧化作用最强的内源性自由基清除剂，因其高亲脂性较易通过生物膜，可作为细胞内自由基清除剂，也因其部分亲水性，能穿过细胞质进入细胞核，发挥抗氧化作用。实验表明，褪黑素可以直接清除·OH、H2O2、ONOO-、NO、LOO·等自由基，一个褪黑素分子可以清除2个·OH分子和4个H2O2分子，褪黑素捕捉H2O2的反应分为2个阶段，反应生成N1-乙酰基-N2-甲酸基-5-甲氧基醛尿氨(AFMK)，AFMK也是一种有效的自由基清除剂从而提高了褪黑素抗自由基的效率。

2.4 保持膜完整性，防止叶绿素降解
褪黑素对细胞的保护作用已经在动物细胞中被证实，尤其是在生物膜的研究上，褪黑素通过维持膜的最佳流动性来保护膜的完整性。在植物上，还没有明确的证据可以证明褪黑素的这种保护细胞的作用，但是从一些实验数据中可以看出褪黑素的类似功能。例如：一组数据表明褪黑素对低温胁迫导致的胡萝卜悬浮细胞系细胞凋亡有缓解作用。在该实验中，褪黑素处理过的细胞在低温胁迫下保持了完整性，而对照组细胞则表现出质膜与核膜破裂的现象。普遍的观点认为，褪黑素在动物细胞上的抗凋亡机制与该激素的抗氧化作用相关。另有实验证明褪黑素对大麦叶片衰老过程中叶绿素流失有保护作用，离体的叶片会激发伴随着叶绿素流失的衰老过程，这是一种验证不同物质对叶片衰老影响的有效的生物鉴定方法。该实验数据表明48h后的叶片叶绿素含量与处理叶片的褪黑素浓度是直接相关的，1mmol/L的褪黑素处理有效缓解了叶绿素的降解流失。
2.5抵御不良环境造成的伤害
褪黑素的一个重要作用是减轻逆境环境引起的氧化伤害。褪黑素处理很大程度上增强了豌豆对铜污染的耐受性，提高了超低温保存下的红景天胚性愈伤的存活率，数据显示褪黑素减少了超低温保存过程对愈伤的氧化伤害。褪黑素处理下的甘蓝种子在铜离子胁迫下的发芽率要显著高于未被褪黑素处理的种子，黄瓜种子在低温胁迫下发芽率显著降低，褪黑素处理却缓解了这一现象，提高了逆境下的种子发芽率及幼苗干鲜重，褪黑素降低了黄瓜在高温胁迫下的O2·产生速率和H2O2含量，有效清除体内ROS，抑制细胞膜透性和 MDA 含量的增大，提高黄瓜叶片内抗氧化系统酶活性（SOD、POD、CAT等）和可溶性蛋白质含量，提高黄瓜对高温逆境的抵抗能力。另外褪黑素不仅是一种自由基清除剂，而且是一种抗氧化剂，其通过提高植株体内各种与抗氧化胁迫有关的酶（APx、GR等）活性来增加体内抗氧化物质（AsA和GSH）的含量，从而调节抗坏血酸代谢系统的运转，抑制活性氧的产生，提高植物抗高温逆境的能力。在UV-B辐射处理绿豆时，在早期褪黑素能起到一定的防护作用，由于其可以直接与自由基反应，延缓了由 UV-B 辐射引起的抗氧化酶活的升高，但是褪黑素的防护作用随着时问的推移会越来越弱，最终不足以完全保护植物免受伤害。
2.6 调节光周期
在动物体内，夜间褪黑素含量较高，褪黑素持续升高的水平与夜间的长度是呈正相关的，这样便记录了日长的信息。调节光周期是褪黑素在动物中一个很重要的作用。在一些植物中也存在褪黑素合成的昼夜节律性，暗示着褪黑素可能参与植物光周期的调节。褪黑素溶液对短日照植物藜的子叶和胚芽，发现100 mmol/L和500 mmol/L的褪黑素溶液处理，能够显著减少12 h黑暗处理下植株的开花率。褪黑素只有在光照处理结束前或者是黑暗处理的前半段时间施加才有效，这暗示着褪黑素影响着开花的一些早期步骤。

 

3 结语
褪黑素广泛存在于被子植物体内，虽然它既能在植物体内合成又能被植物吸收，但褪黑素在植物体内的含量仍是极低的。在植物中对褪黑素的研究明确指出了以下几点：
（1）褪黑素在植物体内广泛存在；
（2）褪黑素在植物体内的浓度随物种的不同变化非常大；
（3）褪黑素在植物不同器官中的存在是不均一的；
（4）褪黑素在植物体内是一种能够发挥功能的活性物质；
（5）植物体内有着褪黑素合成机制。

褪黑素在植物体内的功能研究还不够深入，作为一种激素类物质，褪黑素在植物中的作用受体尚未被发现。且目前已经证实的只是在植物中存在着与动物体内类似的合成机制，但具体合成途径、合成部位等尚不明确，需要进一步研究。研究其对植物光周期的影响也许能够揭示植物光周期运动的内在机制，这对植物生理学将是一个重要的补充。