Влияние экзогенного мелатонина на профиль экспрессии генов SNAT1 и SNAT2 в процессе прорастания семян томата Solanum lycopersicum L.

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.

1. Shu 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.2015.08.010

2. Liu 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.1304651110

3. 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.

4. 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.x

5. Sun 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.12993

6. Xie 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/s00299-022-02876-9

7. Arnao 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/s00497-020-00388-8

8. Lv 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.12736

9. Liu 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/s44154-023-00139-5

10. Byeon 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.12339

11. Lee 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.12181

12. Chen 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.0228241

13. Wang 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.12937

14. Zeng 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/agronomy12081918

15. Xiao 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.0216575

16. Guo 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.2022.932912

17. Liu 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-X

18. Yuan 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