综述：褪黑素种子引发：一种提高植物非生物胁迫耐受性的气候智能型绿色策略

增强作物对多种非生物胁迫的耐受性对于实现可持续农业至关重要。使用天然信号化合物（例如，褪黑素（melatonin, MLT））进行靶向种子阶段干预，为建立早期胁迫耐受性提供了独特机会，这种耐受性可以通过关键的种子到幼苗过渡期持续存在。褪黑素种子引发（melatonin seed priming, MSP）正迅速成为提高植物胁迫耐受性的绿色和气候智能型策略。MSP在萌发过程中触发防御性分子、生化和生理重编程，从而改善植物在随后胁迫条件下的表现。本综述综合了最近的机制见解，阐述了MSP如何通过调节氧化还原信号（redox signaling）、激素平衡（hormonal homeostasis）和胁迫相关基因网络（stress-related gene networks），赋予不同物种胁迫耐受性。研究人员阐明了MSP与纳米制剂（nanoformulations）、其他引发剂（other priming agents）或有益微生物（beneficial microbes）结合时的协同潜力。研究人员还讨论了其与关键信号通路的串扰（crosstalk），以更好地理解耐受性机制。此外，研究人员提出了一种前瞻性策略，整合组学（omics）、基因组编辑（genome editing）、快速育种（speed breeding）和分子表型（molecular phenotyping）方法，以改进MSP应用，开发胁迫智能型作物（stress-smart crops）。尽管具有潜力，MSP仍面临多重挑战，包括物种特异性响应（species-specific responses）、剂量变异性（dosage variability）、引发后种子储存稳定性有限（limited post-priming seed storage stability）以及缺乏田间尺度验证（lack of field-scale validation）。通过高通量筛选（high-throughput screening）、表观遗传记忆评估（epigenetic memory assessment）和优化输送系统（optimized delivery systems）来解决这些瓶颈，对于充分发挥MSP作为未来农业可持续和绿色方法的实际潜力至关重要。

种子是农业的基础，携带决定植物活力和胁迫耐受性的遗传、生理和生化遗产。萌发和早期幼苗发育是作物生命周期中最脆弱的阶段，在此期间非生物胁迫可能导致植物群落、生长潜力和产量出现不可挽回的损失。因此，种子不仅是遗传材料的被动载体，更是预防性胁迫管理的主动平台。种子不仅是提高作物性能的干预关键目标，也是开发气候智能型植物的战略入口点，这为绿色创新如种子引发（seed priming）奠定了基础，种子引发通过预处理种子以抵御多种气候胁迫。非生物胁迫，包括空气污染、干旱、盐渍、高温或低温、洪水、养分失衡或重金属，严重限制全球农业生产力。虽然这些胁迫常在营养期或生殖期研究，但种子阶段胁迫耐受性仍是一个被低估但关键的因素。随着气候不可预测性加剧，开发独特策略以改善早期植物表现变得至关重要。在这些策略中，种子引发作为一种高效的、非转基因的、绿色方法，已被用来保护作物免受多种胁迫。种子引发是一项强大的技术，可在胁迫条件下提高萌发、幼苗建立和整体作物表现。这种播种前干预通过激活代谢而不允许胚根出现，为快速和同步萌发做准备。调整这种早期代谢“唤醒信号”可有效训练植物同时发起针对多种胁迫的预防性防御。通过在种子面对田间环境前有效“训练”它们，引发可以将胁迫响应从被动转变为主动，为植物提供关键的先发优势。此类准备步骤可能有助于在气候不确定性下持续弥合产量差距。引发广泛用于可持续农业以提高胁迫耐受性而无需基因修饰；它可以通过在胁迫发生前启动生理生化防御来减轻非生物胁迫的影响。值得注意的是，引发可以减少对密集的出土后管理的需求。然而，在优化方案、确保引发后稳定性以及在自然田间条件下验证表现方面仍存在挑战。褪黑素（MLT, N-乙酰基-5-甲氧基色胺）作为引发剂已引起极大兴趣。在各种引发剂中，MLT因其双重作用而独特适合种子阶段干预：作为直接清除活性氧（reactive oxygen species, ROS）的强效抗氧化剂，以及作为可以启动胁迫响应途径的信号分子且无毒性，即使在高水平下也是如此。与合成引发剂不同，MLT是一种天然存在的、无毒的、多功能的、低成本的、生态友好的化合物，使其对可持续农业极具吸引力。外源MLT增强种子萌发和根系生长，提高抗氧化活性，并在胁迫下保护光合装置。尽管有许多关于MLT作用的综述，但它们大多集中在已建立植物的叶面或外源应用上。相比之下，通过种子引发应用MLT，相对于其实际潜力仍处于欠探索状态。先前的综述主要将MLT引发与外源应用在四种胁迫和已建立植物的一般机制中分类。然而，该综述未提供详细的胁迫特异性MLT引发结果、与生物技术/育种工具的整合，或关于协同作用和瓶颈的前瞻性观点。因此，本综述专注于MLT种子引发（以下简称MSP），并提供以种子为中心的机制、进展和应用综合，涵盖单一和复合非生物胁迫。为确保全面和透明的综合，研究人员使用Web of Science、Google Scholar和Scopus数据库进行了系统文献检索。研究人员使用关键词组合，包括“melatonin seed priming”、“melatonin priming”和“seed priming with melatonin”，结合特定非生物胁迫术语，如“drought, salt/salinity, temperature/heat/cold, heavy metals, waterlogging/flooding, nutrient deficiency, and combined stresses”。对检索文章的标题和摘要进行相关性筛选，随后进行全文评估。研究如果涉及MLT作为种子引发处理（浸泡或包衣）并具有非生物胁迫耐受性结果，则被纳入。在种子阶段递送的MLT可以在萌发前预激活胁迫防御途径，并有助于提供下一代、胁迫智能型种子（即能够耐受/适应胁迫条件的种子）。本综述批判性地评估MSP作为一种迅速兴起的、可持续的种子策略，以提高植物对非生物胁迫的耐受性。研究人员（i）以胁迫特异性方式突出机制和结果，（ii）识别协同作用、瓶颈和空白，（iii）导航与组学和分子育种工具的整合，（iv）建议欠探索方向以充分利用MSP的力量开发胁迫智能型种子。

种子引发涉及种子的受控水合，并包括多种方法。根据处理介质，引发可分为几种类型：（i）水引发（hydropriming），其中种子浸泡在水或MLT中；（ii）渗透引发（osmopriming）使用渗透溶液（例如PEG或盐）；（iii）盐引发（halopriming）应用无机盐；（iv）营养引发（nutripriming）使用营养溶液；（v）激素引发（hormopriming）涉及植物生长调节剂，如植物激素或MLT；（vi）生物引发（biopriming）包括植物生长促进细菌；（vii）纳米引发（nanopriming）使用纳米颗粒；以及（viii）固体基质引发或包衣辅助引发（solid-matrix priming or coating-assisted priming），其中种子被封装或包衣功能化水凝胶基质。MSP属于激素引发或水引发，其中种子在水性MLT溶液中浸泡数小时，然后风干至原始水分含量后再播种。例如，在苦荞（Fagopyrum tataricum Gaertn.）中，用MLT（50 μM L⁻¹）浸泡3小时在盐胁迫下实现了近100%的萌发。MSP的效能高度依赖于环境，需要根据物种、种子类型和目标非生物胁迫优化MLT浓度和浸泡时间。这种优化至关重要，因为次优或过量剂量可能限制效能甚至抑制萌发。与其他引发策略相比，种子引发被认为是一种成本效益高、生态友好的方法，以提高非生物胁迫耐受性，因为它只需要少量生物活性化合物和最小的基础设施。MLT引发特别有帮助，因其多效性功能，即它增强萌发，加强抗氧化防御系统，并调节胁迫响应激素信号。此外，这种初始种子处理的益处通常不限于萌发时刻。引发过程可以诱导一种生理胁迫记忆的形式，一个工作假设是，引发期间启动的分子和生理生化变化持续到早期幼苗生长。这种引发状态可以在后续发育阶段的胁迫条件下导致表现增强。这些效果在后期生长阶段的持续性和潜在的表观遗传胁迫记忆仍然是开放性问题，需要田间验证。因此，MSP不仅改善早期发育，还可能在后续生长阶段赋予改善的耐受性，尽管这些效果的持续性取决于物种、剂量和胁迫类型。从实践角度看，MSP需要的MLT远少于重复叶面应用，从而降低成本和环境足迹。种子处理易于整合到现有农业实践中，只需要简单的基础设施如浸泡罐或种子包衣配方。MSP有助于早期代谢重编程、激素平衡和抗氧化机制，从而在胁迫条件下实现优越的幼苗建立。

作为种子阶段胁迫调理方法，MSP已被证明可减轻非生物胁迫。代表性图像表明，MSP介导的保护导致不同物种和胁迫条件下萌发、根/茎生物量和整体植物健康的可见改善。在以下小节中，研究人员总结了主要胁迫类型的证据。基于这些发现，提出了MSP驱动的植物胁迫耐受性的主要机制。在干旱胁迫下，MSP改善根系水力传导、渗透保护和抗氧化防御。例如，MLT引发通过上调水通道蛋白基因的表达，显著改善根伸长和水力传导，从而增强根长、水分运输和生物量。类似趋势在玉米、水稻、花生、小黑麦和向日葵中观察到，MSP保护叶绿体完整性并增加幼苗和根长、生物量以及气孔导度。这些反应表明水分利用效率（water use efficiency, WUE）和碳同化在胁迫下增强。然而，MSP对WUE的影响是环境依赖的，因为WUE显示碳增益和水分损失之间的平衡。过度刺激气孔导度而没有根或光合活性的相应增加可能降低WUE。相反，根、叶和叶绿体的协调调整导致WUE和干旱耐受性的净增益。MSP增强干旱耐受性的一个核心机制是增强细胞防御和修复系统。MSP持续激活抗氧化酶网络，包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、过氧化物酶（peroxidase, POD）和过氧化氢酶（catalase, CAT）。这种酶的上调导致有效的ROS清除，最大限度地减少氧化损伤，表现为丙二醛（malondialdehyde, MDA）、过氧化氢（hydrogen peroxide, H₂O₂）和电解质渗漏的减少。同时，MSP促进渗透保护剂和代谢稳定剂的积累，例如脯氨酸、甘氨酸甜菜碱、总可溶糖和氨基酸，有助于渗透调整和细胞稳态。值得注意的是，MSP效果是剂量依赖性和基因型特异性的，需要谨慎优化以用于实际应用。此外，MSP还转化为可衡量的农艺效益，包括改善幼苗建立、增加生物量积累、更高的产量成分和更好的种子质量。

在盐胁迫下，盐胁迫对植物表现施加渗透和离子约束，即渗透失衡和离子毒性。这导致种子萌发受损、幼苗活力降低、养分吸收中断和ROS过度积累。新兴研究支持MSP在减轻这些有害影响方面的作用，通过多方面的生理生化和分子机制。在广泛作物中，MSP显著增强萌发率、根和茎生长、光合效率和胁迫耐受阈值。这些益处主要源于氧化还原平衡、激素信号和代谢调整的协调调节。与干旱胁迫下观察到的一样，增强抗氧化防御是MSP减轻盐胁迫的关键机制。然而，盐胁迫施加了额外的“离子毒性”负担，MSP在这里发挥独特和关键功能。它通过限制有毒钠离子（Na⁺）的积累同时改善必需离子如钾（K⁺）、钙（Ca²⁺）和锌（Zn²⁺）的吸收，主动重建“离子稳态”。这种再平衡在作物如高粱、普通菜豆和甜玉米中得到支持，其中K⁺/Na⁺和Ca²⁺/Na⁺比值改善。这种离子稳态和养分吸收的恢复影响可食植物器官的营养成分。因此，盐胁迫下的MSP将常见的抗氧化反应与特定的离子稳态机制整合以赋予耐受性。新型MLT输送系统已开发出来以实现持续保护。例如，钙藻酸盐基水凝胶生物聚合物逐渐释放MLT，从而改善盐胁迫下番茄的萌发指标、根伸长和抗氧化状态。在小麦中，MSP不仅逆转了盐胁迫下萌发、淀粉酶活性和抗氧化酶水平的降低，还恢复了光合能力、叶绿素含量、蔗糖和相对含水量（relative water content, RWC）。在玉米和高粱中，MSP逆转盐胁迫诱导的生物量、叶绿素和可溶糖含量的减少，同时缓解RWC和类胡萝卜素水平。在两种盐生植物中，低MLT浓度也能有效缓解种子休眠，提高盐胁迫下的萌发，并增强幼苗光合色素积累。MSP介导的胁迫耐受性的另一个机制是激素和基因重编程。在棉花中，MSP调节植物激素信号通路并上调与ROS解毒和胁迫信号相关的基因。在普通菜豆中，MLT与根瘤菌接种的协同效应不仅增强光合色素保留和抗氧化系统，还提高种子产量，这表明一种新型生物增强胁迫缓解策略。在渗透调节方面，MSP同样动态。在盐碱土中，低MSP水平优化渗透调节物质积累和抗氧化酶活性。

在极端温度胁迫下，极端温度胁迫（低温、冷害（0°C–15°C）或冻结（< 0°C），高温（> 25°C））指的是偏离萌发和早期幼苗生长最佳范围的变化，取决于植物物种。在当前气候变化下，这些极端事件更频繁且预计加剧，并将对种子活力、建立和产量稳定性构成重大威胁。尽管与干旱或盐胁迫相比数据有限，但最近研究表明MSP可能是应对早期发育阶段温度胁迫的富有成效的策略。在冷害条件下，MSP持续提高萌发和幼苗活力，包括在蜡质玉米、番茄、小麦和辣椒中。这些益处主要由增强的抗氧化系统、降低的MDA水平和改善的膜稳定性驱动，共同减少氧化损伤。值得注意的是，MSP还加速冷响应基因如C-repeat结合因子（CBFs）的表达，从而增强番茄的冷驯化。在玉米和小麦中，MSP促进淀粉代谢并增加可溶性碳水化合物积累。蛋白质组学驱动的调查也表明MSP在冷害条件下驱动种子蛋白质谱的显著变化。在高温胁迫下，MSP通过保护光合色素、最小化ROS生成和增强酶促抗氧化活性来赋予耐受性。重要的是，虽然剂量反应通常是物种依赖的，但低到中等MLT浓度（5–100 μM）似乎持续有效，特别是与水引发或滚筒引发技术结合时。

在重金属毒性下，重金属污染通过触发氧化胁迫、破坏膜完整性、改变养分稳态并干扰激素和代谢平衡，对种子萌发和幼苗建立构成重大挑战。然而，植物毒性效应高度剂量依赖。MSP研究在金属毒性方面仍然有限，现有证据强烈支持MSP通过多层保护机制减轻金属胁迫的潜力。文献显示，MSP可以有效保护种子免受Cd、Al、Cr、Cu和Pb等金属的毒性作用，通过调节抗氧化系统、限制金属吸收和改善早期生理活力。例如，在Cr毒性下的小麦和Cd毒性下的鹰嘴豆中，MSP通过增加储备动员和改善糖和氨基酸可用性来增加幼苗生长和生物量，但下调金属诱导的ROS产生酶如NADPH氧化酶。这通常伴随着抗氧化酶系统（SOD、CAT、POD和APX）的激活。MSP还影响离子运输和金属区隔化机制以阻止金属向敏感组织易位。例如，水稻中的MSP增强有机酸分泌，特别是柠檬酸，减少Al在根组织中的积累。激素重编程是MSP介导的金属胁迫耐受性的另一个关键要素。MSP已被证明可抑制胁迫诱导的ABA积累同时改善促生长IAA水平。有趣的是，研究还强调MSP在金属胁迫下的剂量敏感性。

在养分缺乏下，养分缺乏胁迫