DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-026-08315-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41663936
تاريخ النشر: 2026-02-09
المؤلف: Songtao Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثيرات الميلاتونين الخارجي على شتلات البطاطس (Solanum tuberosum L.) تحت ضغط الجفاف، وهو عامل غير حيوي مهم يؤثر على نموها وإنتاجيتها. تظهر الأبحاث أن الميلاتونين، وخاصة بتركيز 100 ميكرومول/لتر، يخفف من تثبيط النمو الناتج عن الجفاف والإجهاد التأكسدي. لوحظت تحسينات فسيولوجية رئيسية، بما في ذلك زيادة ارتفاع النبات، وتعزيز الكفاءة الضوئية، وتقليل تراكم أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وزيادة نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة مثل سوبر أكسيد ديسموتاز (SOD)، وكاتالاز (CAT)، وبيروكسيداز (POD). بالإضافة إلى ذلك، زادت مستويات المواد الأسموزية مثل البرولين والسكريات القابلة للذوبان، مما يدل على استجابة وقائية لظروف الجفاف.
كشف تحليل النسخ أن الميلاتونين يؤثر على مجموعة واسعة من الجينات المعبر عنها بشكل مختلف استجابة للجفاف (DEGs)، وخاصة تلك المرتبطة بعائلات عوامل النسخ (مثل MYB، NAC، ERF) والمسارات المتعلقة بالتمثيل الضوئي، والتمثيل الغذائي المضاد للأكسدة، وإشارات الهرمونات. حدد تحليل شبكة التعبير الجيني المشترك (WGCNA) وتجمع Mfuzz وحدات جينية حاسمة وجينات محورية مرتبطة بالأداء الضوئي واستجابات مضادات الأكسدة. توفر هذه الأبحاث أساسًا نظريًا لاستخدام الميلاتونين في استراتيجيات الزراعة التي تهدف إلى تعزيز مقاومة الجفاف في محاصيل البطاطس.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للمياه في نمو النباتات والتأثيرات الضارة للجفاف على العمليات الفسيولوجية والبيوكيميائية، مما يقلل في النهاية من النمو والإنتاجية. تؤدي ظروف الجفاف إلى انخفاض امتصاص المياه، وإغلاق الثغور، وتغيرات هرمونية، مما يعيق التمثيل الضوئي ويزيد من الإجهاد التأكسدي من خلال زيادة أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). تستجيب النباتات لهذه التحديات من خلال تعزيز نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة وتراكم المنظمات الأسموزية مثل البرولين والسكريات القابلة للذوبان، مما يساعد في الحفاظ على سلامة الخلايا. يُعتبر حمض الأبسيسيك (ABA) هرمونًا نباتيًا مركزيًا في استجابة الجفاف، حيث ينظم الجينات المستجيبة للإجهاد من خلال عوامل نسخ مختلفة، بما في ذلك نظم AREB/ABF وDREB.
تعتبر البطاطس (Solanum tuberosum L.)، وهي محصول رئيسي عالمي، عرضة بشكل خاص للجفاف بسبب نظام جذورها الضحل، مما يشكل مخاطر كبيرة على نموها وإنتاجيتها في ظل تزايد حدوث الجفاف الناتج عن تغير المناخ. يظهر الميلاتونين (N-acetyl-5-methoxytryptamine) كمنظم نمو واعد يعزز الكفاءة الضوئية ومقاومة الإجهاد في النباتات. لقد أظهرت تطبيقات الميلاتونين الخارجي أنها تحسن القدرة الضوئية، وتعدل أنظمة مضادات الأكسدة، وتؤثر على تمثيل البرولين والسكريات القابلة للذوبان، مما يعزز من مرونة النبات تجاه الجفاف. تهدف هذه الأبحاث إلى دراسة تأثيرات الميلاتونين على قابلية التكيف مع الجفاف في شتلات البطاطس، مع التركيز على التوازن الأسموزي، وديناميات الفلورسنت الكلوروفيل، وأنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة، والآليات الجزيئية الأساسية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، التي أجريت في سبتمبر 2023 في جامعة هيبي الشمالية، تم زراعة بذور البطاطس (هولندا رقم 15) في أصص (قطر 14.7 سم، ارتفاع 12.5 سم) مملوءة بمزيج 1:1 من الفيرميكوليت والتربة المغذية. كان تصميم التجربة نهجًا أحادي العامل مع خمسة علاجات: CK (التحكم)، D (الجفاف مع الماء المنقى)، M1 (الجفاف مع 50 ميكرومول/لتر من الميلاتونين)، M2 (الجفاف مع 100 ميكرومول/لتر من الميلاتونين)، وM3 (الجفاف مع 150 ميكرومول/لتر من الميلاتونين). شمل كل علاج ثلاثة مكررات بيولوجية، كل منها يحتوي على خمس شتلات. بدأت معالجة الجفاف عندما كانت النباتات تحتوي على سبع أوراق، حوالي 50 يومًا بعد الزراعة، مما قلل من السعة الميدانية إلى حوالي 30%.
تم تطبيق الميلاتونين عن طريق الرش الورقي على أربع فترات، بفاصل يومين، مع ضمان رطوبة الأوراق حتى نقطة التنقيط الطفيف. تم جمع عينات الأوراق بعد يومين من العلاج النهائي لإجراء تحليلات بيوكيميائية وفسيولوجية. كانت هذه المنهجية تهدف إلى تقييم تأثيرات الميلاتونين على نباتات البطاطس تحت ظروف الجفاف، مما يوفر رؤى حول استراتيجيات تخفيف الإجهاد المحتملة.
النتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج تحليل RNA-seq الذي تم إجراؤه للتحقيق في تأثيرات تركيزات مختلفة من الميلاتونين الخارجي على نمو شتلات البطاطس تحت ضغط الجفاف. شمل التحليل 12 عينة ورقية من صنف Helan15، حيث كشفت تحليل المكونات الرئيسية (PCA) عن انخفاض التناسق بين الثلاث مكررات للعينة D، على الأرجح بسبب مشكلة تقنية. وبالتالي، ركز التحليل على العينة D1، وتم حساب معاملات الارتباط بيرسون، مما أظهر درجة عالية من الارتباط (R² > 90%) بين العينات، مما يدل على موثوقية وقابلية تكرار التجربة.
استخدم تحليل النسخ RNA-seq أحد عشر عينة، مع بيانات تسلسل خام تم إيداعها في أرشيف قراءة التسلسل NCBI (SRA، رقم الوصول PRJNA1301854). بعد تصفية البيانات، تم إنتاج ما مجموعه 54.42 مليون قراءة نظيفة، مع نجاح 83.35-85.85% من هذه القراءات في التوجيه إلى مواقع فريدة على الجينوم المرجعي (Stuberosum_686_v6.1). بالإضافة إلى ذلك، أشارت مقاييس الجودة إلى أن نسبة قاعدة Q30 ومحتوى GC كانت مرضية، حيث تجاوزت 93.17% و42.02%، على التوالي، مما يؤكد جودة نتائج التسلسل للتحليلات اللاحقة.
المناقشة
في هذا القسم، تحقق الدراسة في الاستجابات الفسيولوجية والجزيئية لنباتات البطاطس تجاه ضغط الجفاف وتأثيرات الميلاتونين الخارجي المخففة. أثر الجفاف بشكل كبير على النمو، كما يتضح من انخفاض ارتفاع النبات وقطر الساق، إلى جانب زيادة محتوى المالونديالديهايد (MDA)، وتراكم أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وموت الخلايا. أدى تطبيق الميلاتونين بتركيزات مثلى (50 ميكرومول/لتر و100 ميكرومول/لتر) إلى تعزيز تحمل الجفاف من خلال تعزيز النمو، وتحسين الأداء الضوئي، وتنشيط الدفاعات المضادة للأكسدة، مما يقلل من الضرر التأكسدي. ومع ذلك، وُجد أن التركيزات الأعلى من الميلاتونين (150 ميكرومول/لتر) تسبب إجهادًا، مما يبرز أهمية الجرعة في فعالية الميلاتونين.
تحدد الدراسة أيضًا مجموعة متنوعة من الجينات المعبر عنها بشكل مختلف (DEGs)، وخاصة عوامل النسخ (TFs) مثل MYB، bHLH، وERF، التي تلعب أدوارًا حاسمة في آليات استجابة النبات للإجهاد. تُعزى هذه TFs إلى تنظيم المسارات المتعلقة بالتكيف مع الإجهاد وإشارات الهرمونات. علاوة على ذلك، تم التأكيد على الجينات المتعلقة بالتمثيل الضوئي كعناصر حاسمة في استجابة الجفاف، حيث عززت معالجة الميلاتونين من تعبيرها وساهمت في تحسين الكفاءة الضوئية. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين الاستجابات الفسيولوجية وتعبير الجينات في تعزيز مقاومة الجفاف في البطاطس، مما يوفر رؤى لتطوير استراتيجيات زراعية فعالة في ظل ظروف نقص المياه.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-026-08315-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41663936
Publication Date: 2026-02-09
Author(s): Songtao Liu et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
This study investigates the effects of exogenous melatonin on potato (Solanum tuberosum L.) seedlings under drought stress, a significant abiotic factor affecting their growth and yield. The research demonstrates that melatonin, particularly at a concentration of 100 µmol/L, mitigates drought-induced growth inhibition and oxidative stress. Key physiological improvements were observed, including increased plant height, enhanced photosynthetic efficiency, reduced accumulation of reactive oxygen species (ROS), and elevated activities of antioxidant enzymes such as superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), and peroxidase (POD). Additionally, levels of osmoprotectants like proline and soluble sugars were increased, indicating a protective response to drought conditions.
Transcriptome analysis revealed that melatonin influences a wide array of drought-responsive differentially expressed genes (DEGs), particularly those associated with transcription factor families (e.g., MYB, NAC, ERF) and pathways related to photosynthesis, antioxidative metabolism, and hormone signaling. Weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) and Mfuzz clustering identified critical gene modules and hub genes linked to photosynthetic performance and antioxidant responses. This research provides a theoretical basis for utilizing melatonin in agricultural strategies aimed at enhancing drought resistance in potato crops.
Introduction
The introduction highlights the critical role of water in plant growth and the detrimental effects of drought on physiological and biochemical processes, which ultimately reduce growth and yield. Drought conditions lead to decreased water uptake, stomatal closure, and hormonal changes, impairing photosynthesis and increasing oxidative stress through elevated reactive oxygen species (ROS). Plants respond to these challenges by enhancing antioxidant enzyme activities and accumulating osmotic regulators like proline and soluble sugars, which help maintain cellular integrity. The phytohormone abscisic acid (ABA) is central to drought response, regulating stress-responsive genes through various transcription factors, including the AREB/ABF and DREB regulons.
The potato (Solanum tuberosum L.), a major global crop, is particularly vulnerable to drought due to its shallow root system, which poses significant risks to its growth and yield amid increasing climate change-induced drought occurrences. Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) emerges as a promising growth regulator that enhances photosynthetic efficiency and stress resistance in plants. Exogenous melatonin application has been shown to improve photosynthetic capacity, modulate antioxidant systems, and influence the metabolism of proline and soluble sugars, thereby bolstering plant resilience to drought. This research aims to investigate the effects of melatonin on drought adaptability in potato seedlings, focusing on osmotic homeostasis, chlorophyll fluorescence dynamics, antioxidant enzyme activities, and the underlying molecular mechanisms.
Methods
In this study, conducted in September 2023 at Hebei North University, potato seeds (Holland No. 15) were cultivated in pots (14.7 cm diameter, 12.5 cm height) filled with a 1:1 mixture of vermiculite and nutrient soil. The experimental design was a single-factor approach with five treatments: CK (control), D (drought with purified water), M1 (drought with 50 µmol/L melatonin), M2 (drought with 100 µmol/L melatonin), and M3 (drought with 150 µmol/L melatonin). Each treatment included three biological replicates, each containing five seedlings. Drought treatment began when the plants had seven leaves, approximately 50 days after planting, reducing field capacity to about 30%.
Melatonin was applied via foliar spraying at four intervals, two days apart, ensuring leaf wetness to the point of slight dripping. Leaf samples were collected two days after the final treatment for biochemical and physiological analyses. This methodology aimed to assess the effects of melatonin on potato plants under drought conditions, providing insights into potential stress mitigation strategies.
Results
In this section, the authors present the results of an RNA-seq analysis conducted to investigate the effects of varying concentrations of exogenous melatonin on the growth of potato seedlings under drought stress. The analysis involved 12 leaf samples from the Helan15 cultivar, with principal component analysis (PCA) revealing low consistency among the three replicates of sample D, likely due to a technical issue. Consequently, the analysis focused on sample D1, and Pearson correlation coefficients were calculated, demonstrating a high degree of correlation (R² > 90%) between the samples, indicating the reliability and reproducibility of the experiment.
The RNA-seq transcriptome analysis utilized eleven samples, with raw sequencing data deposited in the NCBI Sequence Read Archive (SRA, Accession PRJNA1301854). Following data filtering, a total of 54.42 million clean reads were generated, with 83.35-85.85% of these reads successfully mapped to unique positions on the reference genome (Stuberosum_686_v6.1). Additionally, the quality metrics indicated that the Q30 base percentage and GC content were satisfactory, exceeding 93.17% and 42.02%, respectively, thus affirming the quality of the sequencing results for subsequent analyses.
Discussion
In this section, the study investigates the physiological and molecular responses of potato plants to drought stress and the mitigating effects of exogenous melatonin. Drought significantly impaired growth, as indicated by reduced plant height and stem diameter, alongside increased malondialdehyde (MDA) content, reactive oxygen species (ROS) accumulation, and cell death. The application of melatonin at optimal concentrations (50 µmol/L and 100 µmol/L) enhanced drought tolerance by promoting growth, improving photosynthetic performance, and activating antioxidant defenses, thereby reducing oxidative damage. However, higher melatonin concentrations (150 µmol/L) were found to induce stress, highlighting the importance of dosage in melatonin’s efficacy.
The study also identifies a diverse array of differentially expressed genes (DEGs), particularly transcription factors (TFs) such as MYB, bHLH, and ERF, which play crucial roles in the plant’s stress response mechanisms. These TFs are implicated in regulating pathways related to stress adaptation and hormone signaling. Furthermore, photosynthesis-related genes were emphasized as critical components in the drought response, with melatonin treatment enhancing their expression and contributing to improved photosynthetic efficiency. Overall, the findings underscore the complex interplay between physiological responses and gene expression in enhancing drought resilience in potato, providing insights for developing effective agricultural strategies under water-limited conditions.