作者：王帅、李焕改
芍药（Paeonia lactiflora Pall.）是我国六大名花之一，具有极高的观赏价值和药用价值。然而，我国芍药大多茎秆较细且花朵相对较大，所以茎秆极易弯曲导致垂头、甚至倒伏，从而影响其切花品质和商业价值。
褪黑素（Melatonin）是一种小分子吲哚乙酸类衍生物，广泛存在于动物、植物及微生物体内。褪黑素在植物中具有重要的功能：刺激植物生长发育；参与光合作用等重要生命活动的调节；帮助植物抵御生物或非生物胁迫，提高植物抗逆性。
近日，扬州大学园艺与植物保护学院陶俊教授课题组在国际期刊Journal of Experimental Botany在线发表了题为“Melatonin enhances stem strength by increasing the lignincontent and secondary cell wall thickness in herbaceous peony”的研究论文，该研究发现了褪黑素具有增强芍药茎秆强度的新功能，为提高芍药切花茎秆品质提供了新思路。
该研究首先发现不同品种芍药的花茎内源性褪黑素水平与木质素含量和茎强度成正相关（图1）；外源喷施褪黑素后，芍药茎秆强度增强，说明褪黑素可正向调控芍药茎秆强度；外源褪黑素处理后，芍药花茎内源褪黑素的含量增加，木质素积累量升高且S/G比率变大（图2）；RNA-seq数据结果显示外源褪黑素的喷施可上调褪黑素和木质素生物合成基因的表达；沉默褪黑素生物合成相关基因PlTDC的表达后，内源性褪黑素水平下降，植物茎秆细小，茎秆强度显著降低，并且次生细胞壁的厚度显著减小，说明内源性褪黑素的变化会影响茎秆的强度（图3）；与之相反，当PlTDC过表达时可显著提高烟草内源褪黑素含量，增加木质素的积累，增强茎秆强度；PlCOMT1基因同时参与褪黑素和木质素的生物合成，与PlTDC实验结果类似，当PlCOMT1沉默后，芍药茎秆强度降低，当PlCOMT1过表达时，烟草茎秆强度增强，但PlCOMT1对内源褪黑素含量和茎秆强度的影响比PlTDC更强（图4）。
图1. 盛花期不同芍药品种的茎秆强度与褪黑素和木质素含量的对比
图2. 褪黑素处理对芍药花茎木质素含量与结构影响
图3. 芍药PlTDC基因沉默可降低茎秆强度
图4. 芍药PlCOMT1基因沉默显著降低茎秆强度
本研究证明外源喷施褪黑素可促进褪黑素合成相关基因PlTDC和PlCOMT1的表达，从而增加内源性褪黑素水平。内源性褪黑素通过影响木质素生物合成重要基因的表达，增加木质素的积累量，尤其是S-木质素的含量，进而增强植物茎秆强度（图5）。这项研究拓展了褪黑素的功能，挖掘了新型植物茎秆强度相关基因，为优良茎秆品质植物的培育提供了重要的理论基础。
图5. 褪黑素调控芍药茎秆强度的工作模型
原文链接：https://doi.org/10.1093/jxb/erac165
