DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1718959
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41821947
تاريخ النشر: 2026-02-25
المؤلف: Chenglin Liang وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث البيولوجيا الجزيئية للنباتات
نظرة عامة
لقد ظهرت الميلاتونين كجزيء إشارة متعدد الوظائف حاسم في النباتات، لا سيما في تنظيم هيكل نظام الجذور (RSA) وتعزيز التكيف مع الضغوط. تشير النتائج الأخيرة إلى أن الميلاتونين يؤثر على ديناميات نمو الجذور، وتكوين الجذور الجانبية، وتفاعلات الجذور مع الميكروبات من خلال تواصل معقد مع هرمونات نباتية مختلفة، وأنواع الأكسجين التفاعلية، ومسارات الإشارة المستجيبة للضغط. إنه يعمل ليس فقط كمنظم للنمو ولكن كمنظم تكاملي ينسق بين مسارات هرمونية متعددة، بما في ذلك الأوكسين، وحمض الجاسمونيك، والإيثيلين، والسيتوكينينات، وحمض الساليسيليك، وحمض الأبسيسيك، بطريقة تعتمد على التركيز والسياق. بالإضافة إلى ذلك، يعزز الميلاتونين اكتساب العناصر الغذائية من خلال تعديل ناقلات الأيونات والحفاظ على توازن الأيونات، مما يحسن امتصاص العناصر الغذائية الأساسية في ظل ظروف الضغط.
تؤكد المراجعة على إمكانيات الميلاتونين في التطبيقات الزراعية، مشددة على قدرته على تعزيز تطوير الجذور، وتأخير الشيخوخة الناتجة عن الضغط، وتحسين الأداء العام للنبات في الظروف القاسية. على الرغم من الدور الواعد للميلاتونين، لا تزال هناك فجوات معرفية كبيرة، لا سيما فيما يتعلق بتحديد مستقبلات الميلاتونين واستكشاف الآليات التنظيمية بعد النسخ في تطوير الجذور. إن البحث المستقبلي الذي يستخدم الطفرات الجينية وطرق متعددة الأوميات ضروري لتوضيح الأدوار المعتمدة على السياق للميلاتونين في RSA ولتحسين تطبيقه في إنتاج المحاصيل المستدامة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التحديات الكبيرة التي تطرحها الظروف البيئية المجهدة خلال نمو وتطور المحاصيل البستانية، والتي غالبًا ما تؤدي إلى انخفاض الغلات (Gong et al., 2017; Ni et al., 2018). للتخفيف من هذه الآثار السلبية، تخضع النباتات لتغيرات فسيولوجية، وقد أظهرت تطبيقات المنظمات النباتية الخارجية، لا سيما الميلاتونين، وعدًا في تعزيز مرونة المحاصيل (Guo et al., 2023). الميلاتونين، وهو جزيء إندولامين تم اكتشافه في النباتات في عام 1995 (Dubbels et al., 1995)، يتم تصنيعه من خلال سلسلة من التفاعلات الإنزيمية بدءًا من التريبتوفان ويلعب دورًا حاسمًا في عمليات فسيولوجية متنوعة، بما في ذلك الاستجابات للضغط وتطوير الجذور (Zeng et al., 2022a).
يمكن أن يتأثر تصنيع الميلاتونين بالظروف البيئية، مع تنشيط مسارات إنزيمية متميزة تحت الضغط غير الحيوي (Tan and Reiter, 2020). ينظم الميلاتونين العديد من العمليات النباتية، مثل نمو الجذور والسوق، إنبات البذور، وشيخوخة الأوراق، بينما يعزز أيضًا حيوية الجذور ومقاومة الأمراض النظامية (Qi et al., 2018; Erland et al., 2019). يسمح طبيعته الأمفيبيلية بالنقل الفعال داخل النبات، مما يجعله عنصرًا حيويًا للإنتاج البستاني المستدام. بشكل عام، يعمل الميلاتونين كمنظم تكاملي لهندسة نظام الجذور، منسقًا بين شبكات الإشارة المتعددة بطريقة تعتمد على السياق، مما يسهم في تحسين غلات المحاصيل.
نقاش
تسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على الدور الكبير للميلاتونين في تنظيم نمو الجذور وهندستها عبر أنواع نباتية مختلفة، لا سيما تحت ظروف الضغط. لقد أظهر الميلاتونين أنه يعزز قطر الجذر الرئيسي وطوله، مما يحسن مقاومة الجفاف، حيث تكون تأثيراته تعتمد على التركيز. عادةً ما تعزز التركيزات المنخفضة من الميلاتونين نمو الجذور، بينما يمكن أن تعيق التركيزات العالية ذلك من خلال قمع التعبير عن الجينات المعنية في تخليق ونقل حمض الإندول-3-أسيتيك (IAA). بالإضافة إلى ذلك، يؤثر الميلاتونين بشكل إيجابي على تطوير الجذور الجانبية وطول عمر شعر الجذر، وهو أمر حاسم لامتصاص العناصر الغذائية والمياه، خاصةً تحت ضغط الجفاف.
تناقش الورقة أيضًا التفاعلات الهرمونية المعقدة التي يتوسطها الميلاتونين، مشددة على دوره كمنسق مركزي في تنظيم هندسة نظام الجذور (RSA). لا يعزز الميلاتونين فقط تخليق وإشارة الأوكسين، ولكنه يعدل أيضًا مستويات هرمونات أخرى مثل حمض الجاسمونيك، والإيثيلين، والسيتوكينينات، التي تؤثر بشكل جماعي على تطوير الجذور. تؤكد التأثيرات المعتمدة على التركيز للميلاتونين، جنبًا إلى جنب مع استجاباته المحددة للأنواع، على الحاجة إلى تحسين دقيق لتطبيقه لتعظيم الفوائد في الممارسات الزراعية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن الآليات التنظيمية المتعددة الأوجه للميلاتونين يمكن استغلالها لتحسين تطوير نظام الجذور وتعزيز مرونة المحاصيل تجاه الضغوط البيئية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1718959
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41821947
Publication Date: 2026-02-25
Author(s): Chenglin Liang et al.
Primary Topic: Plant Molecular Biology Research
Overview
Melatonin has emerged as a crucial multifunctional signaling molecule in plants, particularly in regulating root system architecture (RSA) and enhancing stress adaptation. Recent findings indicate that melatonin influences root growth dynamics, lateral root formation, and root-microbe interactions through intricate crosstalk with various phytohormones, reactive oxygen species, and stress-responsive signaling pathways. It acts not merely as a growth regulator but as an integrative regulator that coordinates multiple hormonal pathways, including auxin, jasmonic acid, ethylene, cytokinins, salicylic acid, and abscisic acid, in a concentration- and context-dependent manner. Additionally, melatonin enhances nutrient acquisition by modulating ion transporters and maintaining ion homeostasis, thereby improving uptake of essential nutrients under stress conditions.
The review underscores melatonin’s potential in agricultural applications, highlighting its ability to promote root development, delay stress-induced senescence, and improve overall plant performance in adverse conditions. Despite the promising role of melatonin, significant knowledge gaps remain, particularly regarding the identification of melatonin receptors and the exploration of post-transcriptional regulatory mechanisms in root development. Future research employing genetic mutants and multi-omics approaches is essential to elucidate the context-dependent roles of melatonin in RSA and to optimize its application in sustainable crop production.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant challenges posed by stressful environmental conditions during the growth and development of horticultural crops, which often result in reduced yields (Gong et al., 2017; Ni et al., 2018). To mitigate these adverse effects, plants undergo physiological changes, and the application of exogenous plant growth regulators, particularly melatonin, has shown promise in enhancing crop resilience (Guo et al., 2023). Melatonin, an indoleamine molecule discovered in plants in 1995 (Dubbels et al., 1995), is synthesized through a series of enzymatic reactions starting from tryptophan and plays a crucial role in various physiological processes, including stress responses and root development (Zeng et al., 2022a).
The synthesis of melatonin can be influenced by environmental conditions, with distinct enzymatic pathways activated under abiotic stress (Tan and Reiter, 2020). Melatonin regulates numerous plant processes, such as root and shoot growth, seed germination, and leaf senescence, while also enhancing root vitality and systemic disease resistance (Qi et al., 2018; Erland et al., 2019). Its amphiphilic nature allows for effective transport within the plant, making it a vital component for sustainable horticultural production. Overall, melatonin functions as an integrative regulator of root system architecture, coordinating multiple signaling networks in a context-dependent manner, thereby contributing to improved crop yields.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant role of melatonin in regulating root growth and architecture across various plant species, particularly under stress conditions. Melatonin has been shown to enhance primary root diameter and elongation, thereby improving drought resistance, with its effects being concentration-dependent. Low concentrations of melatonin generally promote root growth, while higher concentrations can inhibit it by suppressing the expression of genes involved in indole-3-acetic acid (IAA) biosynthesis and transport. Additionally, melatonin positively influences lateral root development and root hair longevity, which are crucial for nutrient and water uptake, especially under drought stress.
The paper further discusses the intricate hormonal interactions mediated by melatonin, emphasizing its role as a central coordinator in root system architecture (RSA) regulation. Melatonin not only enhances auxin biosynthesis and signaling but also modulates the levels of other hormones such as jasmonic acid, ethylene, and cytokinins, which collectively influence root development. The concentration-dependent effects of melatonin, along with its species-specific responses, underscore the need for careful optimization of its application to maximize benefits in agricultural practices. Overall, the findings suggest that melatonin’s multifaceted regulatory mechanisms can be harnessed to improve root system development and enhance crop resilience to environmental stresses.