ovoshchiОвощи РоссииVegetable crops of Russia2072-91462618-7132Федеральный научный центр овощеводства10.18619/2072-9146-2026-2-59-64ovoshchi-2921Research ArticleСЕЛЕКЦИЯ, СЕМЕНОВОДСТВО И БИОТЕХНОЛОГИЯ РАСТЕНИЙBREEDING, SEED PRODUCTION AND PLANT BIOTECHNOLOGYВлияние экзогенного мелатонина на профиль экспрессии генов SNAT1 и SNAT2 в процессе прорастания семян томата Solanum lycopersicum L.The effect of exogenous melatonin on the expression profile of SNAT1 and SNAT2 genes during germination of tomato Solanum lycopersicum L. seedshttps://orcid.org/0000-0002-2216-0094ДжосЕ. A.DzhosE. A.

Елена Алексеевна Джос – кандидат с.-х. наук, старший научный сотрудник лаб. лаборатории селекции и семеноводства пасленовых культур

119071, Москва, Ленинский пр., д. 33, стр. 2,

143072, Московская область, Одинцовский район, п. ВНИИССОК, ул. Селекционная, д.14

Elena A. Dzhos Cand. Sci. (Agriculture), Senior Researcher, Laboratory of Solanaceae Breeding and Seed Production

Leninsky pr., 33, building 2, Moscow, 119071,

14, Selectsionnaya str., VNIISsOk, Odintsovo dis­trict, Moscow region, 143072

elenadzhos@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7693-8714АнисимоваО. К.AnisimovaO. K.

Ольга Константиновна Анисимова – научный сотрудник лаб. системной биологии растений

119071, Москва, Ленинский пр., д. 33, стр. 2

Olga K. Anisimova Researcher, Laboratory of Plant Systems Biology

Leninsky pr., 33, building 2, Moscow, 119071

lelikanis@yandex.ruФедеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук; Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр овощеводства" (ФГБНУ ФНЦО)РоссияFederal Research Centre Fundamentals of Biotechnology of the Russian Academy of Sciences; Federal State Budgetary Scientific Institution Federal Scientific Vegetable Center (FSBSI FSVC)Russian FederationФедеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наукРоссияFederal Research Centre Fundamentals of Biotechnology of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202603052026025964Copyright © Джос Е.A., Анисимова О.К., 20262026Джос Е.A., Анисимова О.К.Dzhos E.A., Anisimova O.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vegetables.su/jour/article/view/2921

Прорастание семян представляет собой критическую стадию онтогенеза растений, регулируемую сложной сетью гормональных сигналов. Мелатонин (№ацетил-5-метокситриптамин) является одним из важнейших вторичных метаболитов растений, выполняющим функции антиоксиданта и фитогормона, а, следовательно, вовлеченным как во многие физиологические процессы, так и в защитные реакции на стрессы. Ключевыми ферментами биосинтеза мелатони­на являются серотонин-№ацетилтрансферазы (SNAT). Несмотря на показанную ранее эффектив­ность экзогенного мелатонина в стимуляции прорастания, механизмы обратной связи, регули­рующие его эндогенный биосинтез, в частности экспрессию генов SNAT томата (Solanum lycopersicum L.), остаются малоизученными.

Материал и методика. Целью данной работы стал анализ влияния разных концентраций экзоген­ного мелатонина на прорастание семян S. lycopersicum и экспрессию генов SlSNAT1 и SlSNAT2. Была оценена динамика прорастания контрольных и обработанных растворами мелатонина (4 мкМ и 100 мкМ) семян, а также профили экспрессии генов SlSNAT1 и SlSNAT2 (методом РВ-ПЦР). Результаты. Показано стимулирующее влияние мелатонина на прорастание семян. Наибольшая и достоверная разница в количестве проросших за сутки семян наблюдается на второй и третий дни после обработки, энергия прорастания достоверно выше в образцах, обработанных 100 мкМ рас­твором мелатонина, однако показатель всхожести изменяется незначительно. Выявлены разли­чия между уровнями экспрессии генов SlSNAT1 и SlSNAT2 как в контрольных растениях, так и в образцах, обработанных мелатонином. В первые и вторые сутки развития контрольных проро­стков экспрессия гена SlSNAT2 была выше, чем SlSNATI, а на десятые наоборот. Обработка раз­ными концентрациями мелатонина влияла на профиль экспрессии гомологов SlSNAT по-разному: при воздействии 4 мкМ мелатонина наблюдался постепенный рост экспрессии обоих генов на протяжении всего эксперимента, в то время как для варианта 100 мкМ в случае SlSNAT1 показана цикличность (подъем-спад-подъем), а в случае SlSNAT2 повышение (сутки 2) с последующим незначительным снижением (сутки 3, 10). Полученные данные расширяют понимание влияния воздействия экзогенного мелатонина на прорастание семян томата и профиль экспрессии ключе­вых генов биосинтеза мелатонина.

Relevance

Relevance. Seed germination is a critical stage of plant development, regulated by a complex network of hormonal signals. Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) is a highly important secondary metabolite in plant that acts as an antioxidant and phytohormone, and therefore is involved in both physiological processes and stress defense responses. The key enzymes in melatonin biosynthesis are serotonin Nacetyltransferases (SNATs). Despite the previously demonstrated effectiveness of exogenous melatonin in stimulating germination, the feedback mechanisms regulating its endogenous biosynthesis, particu­larly the expression of SNAT genes in tomato (Solanum lycopersicum L.), remain poorly understood.

Materials and Methodology. This study was aimed to analyze the effects of exogenous melatonin differ­ent concentrations on S. lycopersicum seed germination and the SlSNAT1 and SlSNAT2 gene expres­sion. The germination dynamics of control seeds and those treated with melatonin solutions (4 pM and 100 pM), as well as the expression profiles of SlSNATI and SlSNAT2 (using real-time PCR) were assessed.

Results

Results. Melatonin was shown to stimulate seed germination. The most significant difference in the num­ber of seeds germinated per day was observed on the second and third days after treatment. The SlSNAT1 and SlSNAT2 expression levels were found to be different in both control and melatonin-treated samples. On the first and second days of control seedling development, SlSNAT2 was expressed high­er than SlSNAT1, and on the tenth day, vice versa. Treatment with different concentrations of melatonin affected the expression profile of SlSNAT genes differently: when exposed to 4 pM melatonin, a gradual increase in the expression of both genes was observed within 10 days, while for the 100 pM variant, cycli­cality (rise-fall-rise) was shown in the case of SlSNAT1, and an increase (day 2) followed by a slight decrease (days 3, 10) was shown in the case of SlSNAT2. The data obtained expand our understanding of the exogenous melatonin effects on seed germination and the expression pattern of melatonin biosyn­thesis key genes in tomato.

Solanum lycopersicumтоматбиосинтез мелатонинаэкзогенный мелатонинпрорастание семянSolanum lycopersicumtomatomelatonin biosynthesisexogenous melatoninseed germina¬tionРабота выполнена при финансовой поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (№ 25-26-00074)This research was funded by the Russian Foundation of Basic Research (grant no. 25-26-00074)ReferencesShu K., Liu X.D., Xie Q., He Z.H. Two faces of one seed: hormonal regulation of dormancy and germination. Molecular plant. 2016;9(1):34-45. https://doi.org/10.1016/j.molp.2015.08.010Shu K., Liu X.D., Xie Q., He Z.H. Two faces of one seed: hormonal regulation of dormancy and germination. Molecular plant. 2016;9(1):34-45. https://doi.org/10.1016/j.molp.2015.08.010Liu X., Zhang H., Zhao Y., Feng Z., Li Q., Yang H.Q., Luan S., Li J., He Z.H. Auxin controls seed dormancy through stimulation of abscisic acid signaling by inducing ARF-mediated ABI3 activation in Arabidopsis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2013;110(38):15485-90. https://doi.org/10.1073/pnas.1304651110Liu X., Zhang H., Zhao Y., Feng Z., Li Q., Yang H.Q., Luan S., Li J., He Z.H. Auxin controls seed dormancy through stimulation of abscisic acid signaling by inducing ARF-mediated ABI3 activation in Arabidopsis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2013;110(38):15485-90. https://doi.org/10.1073/pnas.1304651110Hattori A., Migitaka H., Iigo M., Itoh M., Yamamoto K., OhtaniKaneko R., Hara M., Suzuki T., Reiter R.J. Identification of melatonin in plants and its effects on plasma melatonin levels and binding to melatonin receptors in vertebrates. Biochemistry and molecular biology international. 1995;35(3):627-34.Hattori A., Migitaka H., Iigo M., Itoh M., Yamamoto K., OhtaniKaneko R., Hara M., Suzuki T., Reiter R.J. Identification of melatonin in plants and its effects on plasma melatonin levels and binding to melatonin receptors in vertebrates. Biochemistry and molecular biology international. 1995;35(3):627-34.Dubbels R., Reiter R.J., Klenke E., Goebel A., Schnakenberg E., Ehlers C., Schiwara H.W., Schloot W. Melatonin in edible plants identified by radioimmunoassay and by high performance liquid chromatography mass spectrometry. Journal of pineal research. 1995;18(1):28-31. https://doi.org/10.1111/j.1600-079X.1995.tb00136.xDubbels R., Reiter R.J., Klenke E., Goebel A., Schnakenberg E., Ehlers C., Schiwara H.W., Schloot W. Melatonin in edible plants identified by radioimmunoassay and by high performance liquid chromatography mass spectrometry. Journal of pineal research. 1995;18(1):28-31. https://doi.org/10.1111/j.1600-079X.1995.tb00136.xSun C., Liu L., Wang L., Li B., Jin C., Lin X. Melatonin: A master regulator of plant development and stress responses. Journal of Integrative Plant Biology. 2021;63(1):126-45. https://doi.org/10.1111/jipb.12993Sun C., Liu L., Wang L., Li B., Jin C., Lin X. Melatonin: A master regulator of plant development and stress responses. Journal of Integrative Plant Biology. 2021;63(1):126-45. https://doi.org/10.1111/jipb.12993Xie Q., Zhang Y., Cheng Y., Tian Y., Luo J., Hu Z., Chen G. The role of melatonin in tomato stress response, growth and development. Plant Cell Reports. 2022;41(8):1631-50. https://doi.org/10.1007/s00299-022-02876-9Xie Q., Zhang Y., Cheng Y., Tian Y., Luo J., Hu Z., Chen G. The role of melatonin in tomato stress response, growth and development. Plant Cell Reports. 2022;41(8):1631-50. https://doi.org/10.1007/s00299-022-02876-9Arnao M.B., Hernández-Ruiz J. Melatonin in flowering, fruit set and fruit ripening. Plant Reproduction. 2020;33(2):77-87. https://doi.org/10.1007/s00497-020-00388-8Arnao M.B., Hernández-Ruiz J. Melatonin in flowering, fruit set and fruit ripening. Plant Reproduction. 2020;33(2):77-87. https://doi.org/10.1007/s00497-020-00388-8Lv Y., Pan J., Wang H., Reiter R.J., Li X., Mou Z., Zhang J., Yao Z., Zhao D., Yu D. Melatonin inhibits seed germination by crosstalk with abscisic acid, gibberellin, and auxin in Arabidopsis. Journal of pineal research. 2021;70(4):e12736. https://doi.org/10.1111/jpi.12736Lv Y., Pan J., Wang H., Reiter R.J., Li X., Mou Z., Zhang J., Yao Z., Zhao D., Yu D. Melatonin inhibits seed germination by crosstalk with abscisic acid, gibberellin, and auxin in Arabidopsis. Journal of pineal research. 2021;70(4):e12736. https://doi.org/10.1111/jpi.12736Liu Z., Dai H., Hao J., Li R., Pu X., Guan M., Chen Q. Current research and future directions of melatonin's role in seed germination. Stress Biology. 2023;3(1):53. https://doi.org/10.1007/s44154-023-00139-5Liu Z., Dai H., Hao J., Li R., Pu X., Guan M., Chen Q. Current research and future directions of melatonin's role in seed germination. Stress Biology. 2023;3(1):53. https://doi.org/10.1007/s44154-023-00139-5Byeon Y., Lee H.Y., Back K. Cloning and characterization of the serotonin N acetyltransferase 2 gene (SNAT2) in rice (Oryza sativa). Journal of Pineal Research. 2016;61(2):198-207. https://doi.org/10.1111/jpi.12339Byeon Y., Lee H.Y., Back K. Cloning and characterization of the serotonin N acetyltransferase 2 gene (SNAT2) in rice (Oryza sativa). Journal of Pineal Research. 2016;61(2):198-207. https://doi.org/10.1111/jpi.12339Lee H.Y., Byeon Y., Lee K., Lee H.J., Back K. Cloning of Arabidopsis serotonin N acetyltransferase and its role with caffeic acid O methyltransferase in the biosynthesis of melatonin in vitro despite their different subcellular localizations. Journal of Pineal Research. 2014;57(4):418-26. https://doi.org/10.1111/jpi.12181Lee H.Y., Byeon Y., Lee K., Lee H.J., Back K. Cloning of Arabidopsis serotonin N acetyltransferase and its role with caffeic acid O methyltransferase in the biosynthesis of melatonin in vitro despite their different subcellular localizations. Journal of Pineal Research. 2014;57(4):418-26. https://doi.org/10.1111/jpi.12181Chen L., Liu L., Lu B., Ma T., Jiang D., Li J., Zhang K., Sun H., Zhang Y., Bai Z., Li C. Exogenous melatonin promotes seed germination and osmotic regulation under salt stress in cotton (Gossypium hirsutum L.). Plos one. 2020;15(1):e0228241. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0228241Chen L., Liu L., Lu B., Ma T., Jiang D., Li J., Zhang K., Sun H., Zhang Y., Bai Z., Li C. Exogenous melatonin promotes seed germination and osmotic regulation under salt stress in cotton (Gossypium hirsutum L.). Plos one. 2020;15(1):e0228241. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0228241Wang L., Tanveer M., Wang H., Arnao M.B. Melatonin as a key regulator in seed germination under abiotic stress. Journal of Pineal Research. 2024;76(1):e12937. https://doi.org/10.1111/jpi.12937Wang L., Tanveer M., Wang H., Arnao M.B. Melatonin as a key regulator in seed germination under abiotic stress. Journal of Pineal Research. 2024;76(1):e12937. https://doi.org/10.1111/jpi.12937Zeng H., Liu M., Wang X., Liu L., Wu H., Chen X., Wang H., Shen Q., Chen G., Wang Y. Seed-Soaking with Melatonin for the Improvement of Seed Germination, Seedling Growth, and the Antioxidant Defense System under Flooding Stress. Agronomy. 2022;12(8):1918. https://doi.org/10.3390/agronomy12081918Zeng H., Liu M., Wang X., Liu L., Wu H., Chen X., Wang H., Shen Q., Chen G., Wang Y. Seed-Soaking with Melatonin for the Improvement of Seed Germination, Seedling Growth, and the Antioxidant Defense System under Flooding Stress. Agronomy. 2022;12(8):1918. https://doi.org/10.3390/agronomy12081918Xiao S., Liu L., Wang H., Li D., Bai Z., Zhang Y., Sun H., Zhang K., Li C. Exogenous melatonin accelerates seed germination in cotton (Gossypium hirsutum L.). PloS one. 2019;14(6):e0216575. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0216575Xiao S., Liu L., Wang H., Li D., Bai Z., Zhang Y., Sun H., Zhang K., Li C. Exogenous melatonin accelerates seed germination in cotton (Gossypium hirsutum L.). PloS one. 2019;14(6):e0216575. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0216575Guo Y., Li D., Liu L., Sun H., Zhu L., Zhang K., Zhao H., Zhang Y., Li A., Bai Z., Tian L. Seed priming with melatonin promotes seed germination and seedling growth of Triticale hexaploide L. under PEG-6000 induced drought stress. Frontiers in Plant Science. 2022;13:932912. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.932912Guo Y., Li D., Liu L., Sun H., Zhu L., Zhang K., Zhao H., Zhang Y., Li A., Bai Z., Tian L. Seed priming with melatonin promotes seed germination and seedling growth of Triticale hexaploide L. under PEG-6000 induced drought stress. Frontiers in Plant Science. 2022;13:932912. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.932912Liu Z., Zhang X.K., Cheng Y. Exogenous application of a low concentration of melatonin enhances salt tolerance in rapeseed (Brassica napus L.) seedlings. Journal of Integrative Agriculture. 2018;17(2):328-35. https://doi.org/10.1016/S2095-3119(17)61757-XLiu Z., Zhang X.K., Cheng Y. Exogenous application of a low concentration of melatonin enhances salt tolerance in rapeseed (Brassica napus L.) seedlings. Journal of Integrative Agriculture. 2018;17(2):328-35. https://doi.org/10.1016/S2095-3119(17)61757-XYuan H., Qian J., Wang C., Shi W., Chang H., Yin H., Xiao Y., Wang Y., Li Q. Exogenous melatonin enhances rice blast disease resistance by promoting seedling growth and antioxidant defense in rice. International Journal of Molecular Sciences. 2025;26(3):1171. https://doi.org/10.3390/ijms26031171Yuan H., Qian J., Wang C., Shi W., Chang H., Yin H., Xiao Y., Wang Y., Li Q. Exogenous melatonin enhances rice blast disease resistance by promoting seedling growth and antioxidant defense in rice. International Journal of Molecular Sciences. 2025;26(3):1171. https://doi.org/10.3390/ijms26031171

The authors declare that there are no conflicts of interest present.