褪黑素(N-乙酰基-5-甲氧基色胺，melatonin)在从原核生物到高等植物的生物体中普遍存在，是一种极其古老的多功能分子，在植物生长发育、形态建成及逆境胁迫应答中发挥关键作用。前期学院褪黑素研究课题组近年在高等植物中褪黑素功能的起源与进化（Zhao, D. et al. 2019. Front. Endocrinol. 10:249）、胁迫应答机制（ Zhao et al. 2021. Trend Plant Sci. 26:72; Yu et al. 2018. Molecules 23:1887）、生物合成功能基因发掘（Yu et al. 2021. BMC Microbiol. 21:40; Zhang et al. 2020. Front. Genet. 11:591984; Liu et al. 2019. Molecules 24:1514）以及种子萌发机制（Lv et al. 2021. J. Pineal Res.DOI: 10.1111/jpi.12736）等研究领域取得一系列进展。在以上研究的基础上，近日课题组在褪黑素研究国际期刊Journal of Pineal Research在线发表了题为“Melatonin synthesis genes N-acetylserotonin methyltransferases evolved into caffeic acid O-methyltransferases and both assisted in plant terrestrialization”的文章（文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/jpi.12737 ），揭示了褪黑素合成的关键基因ASMT（N-acetylserotonin methyltransferases）和COMT（caffeic acid O-methyltransferases）在植物进化过程中的演化关系并参与进植物登陆过程，提出褪黑素在植物登陆过程中发挥的重要作用。

        植物登陆是植物演化过程中的关键事件，直接导致了登陆后植物物种多样性。植物在登陆过程中（之后）经历了典型的包括非生物（紫外线、干旱、变化的温度）和生物胁迫（病原微生物、昆虫、共进化的食草动物）在内的环境压力。褪黑素是是一类古老且保守的多功能小分子，具有显著的抵御生物和非生物胁迫功能，提示褪黑素可能参与了植物登陆过程中环境剧烈变化的适应性进化。研究标明，褪黑素由至少六种酶催化的四步连续反应而生成，包括两个同属于甲基转移酶家族的关键的限速酶ASMT和COMT。然而，这两种亲缘关系的甲基转移酶家族两种酶在进化历程中如何演变以及它们是否参与了植物登陆过程目前尚不清楚。

        本研究发现ASMT最早出现在原核细菌中，伴随着植物登陆时期所发生的一次广泛的全基因组复制（WGDs）事件，ASMT发生了基因重复并发生了基因功能分化，最终在最初登陆的苔藓植物门中演化出COMT，并在随后的陆生植物的主导类群蕨类植物、种子植物中演化。基于ASMT和COMT的系统发育树支持COMT起源于ASMT，COMT在陆生植物类群中发生并演化。COMT在氨基酸水平，其序列比ASMT序列更保守，其疏水性更强；在蛋白三维结构水平上，COMT呈现出宽广的构像而ASMT构象更紧凑。COMT所演化出的强疏水性和宽松的三维构象不仅保留了催化褪黑素合成的原始能力，还使得COMT具有更强的酶活（为ASMT的600倍），高效催化褪黑素合成，使之更有效地应对植物登陆之后所面临的固着生长以及环境骤变所带来的逆境胁迫。最重要的是，与ASMT相比，COMT宽松的三维构象使其对底物的选择性泛化，获得了识别G和S型木质素底物能力，进而产生了催化木质素合成的新功能，而木质素参与维管束形成，造成了与陆生适应性密切相关的固着生长器官（根）以及水分及营养运输有关的茎的形成和分化，进一步参与植物登陆及后续物种多样性形成过程。本研究深入分析了褪黑素在植物登陆中的作用机制；与通常认为的水平基因转移（HGT）介导植物登陆不同，本研究发现褪黑素合成关键限速基因ASMT通过基因复制演化出COMT并共同促进植物登陆，这对植物在进化早期的关键进化登陆过程提供了新的见解。

        yl6809永利/云南省作物病虫害生物防控工程技术研究中心赵大克博士和生命科学学院/云南省作物病虫害生物防控工程技术研究中心姚正平硕士为论文第一作者，陈穗云教授和德克萨斯大学健康科学中心 Russel J. Reiter教授为通讯作者。