Re: phytomelatonin 식물 호르몬 2020

[문형철]

melatonin은 세포질, 미토콘드리아에서 합성. 

동물세포는 음식물로 섭취한 트립토판을 기질로 삼아 세로토닌 --> 멜라토닌 합성

식물세포는 트립토판을 스스로 만들어 엽록체, 미토콘드리아에서 합성..

동물과 식물에서 melatonin은 구조 동일, 기능 거의 유사함.

진화과정에서 일주기리듬 조절, 항산화 세포 보호 등의 역할...

Is Phytomelatonin a New Plant Hormone?

by 

Marino B. Arnao

 *

 and

Josefa Hernández-Ruiz

Department of Plant Biology (Plant Physiology), Faculty of Biology, University of Murcia, 30100 Murcia, Spain

*

Author to whom correspondence should be addressed.

Agronomy 2020, 10(1), 95; https://doi.org/10.3390/agronomy10010095

Submission received: 29 November 2019 / Revised: 31 December 2019 / Accepted: 7 January 2020 / Published: 9 January 2020

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Abstract

Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) is of particular importance as a chronobiological hormone in mammals, acting as a signal of darkness that provides information to the brain and peripheral organs. It is an endogenous synchronizer for both endocrine (i.e., via neurotransmitter release) and other physiological rhythms. In this work we will try to add to the series of scientific events and discoveries made in plants that, surprisingly, confirm‎ the great similarity of action of melatonin in animals and plants. The most relevant milestones on the 25 years of phytomelatonin studies are presented, from its discovery in 1995 to the discovery of its receptor in plants in 2018, suggesting it should be regarded as a new plant hormone.

초록

멜라토닌(N-아세틸-5-메톡시트립타민)은 

포유류에서 생체시계 호르몬으로 특히 중요하며, 

어둠의 신호로 뇌와 주변 기관에 정보를 전달하는 역할을 합니다. 

이는 내인성 동기화제로서 

내분비계(즉, 신경전달물질 분비 via) 및 기타 생리적 리듬을 동기화합니다. 

본 연구에서는 식물에서 이루어진 과학적 사건과 발견의 시리즈에 기여하고자 합니다. 

놀랍게도 이 발견들은 동물과 식물에서 멜라토닌의 작용이 매우 유사함을 확인합니다. 

1995년 식물에서 멜라토닌의 발견부터 2018년 식물에서의 수용체 발견까지, 

식물 멜라토닌 연구 25년 간의 주요 성과를 소개하며, 

이를 새로운 식물 호르몬으로 인정해야 한다는 제안을 합니다.

Keywords: 

biological clock; melatonin; photosynthesis; phytomelatonin; plant hormone; plant stress; redox network

1. Introduction

Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) was discovered in 1958 in the pineal gland of a cow by Lerner and cols. [1]. This isolated, active factor lightens skin color in frogs, tadpoles, toads and certain fish, but not in mammals, as a consequence of the aggregation of melanin granules of melanocytes. For this reason, the authors proposed that the substance be called melatonin, and it was chemically identified in 1959 as a derivative of N-acetylserotonin [2].

Melatonin is of particular importance as a chronobiological hormone, acting as a signal of darkness that provides information to the brain and peripheral organs. It is an endogenous synchronizer for both endocrine (i.e., via neurotransmitter release) and other physiological rhythms, regulating sleep-wake cycles and synchronizing life activity into seasonal periods and reproductive functions [3,4,5,6,7,8,9,10,11].

Melatonin plays an important role in the regulation of sleep, body temperature, the state of alertness and degree of concentration or performance, and cortisol rhythms. It acts as a sleep initiator by opening the circadian sleep gate, thus acting as a sleep regulator. Melatonin adjusts the timing of or reinforces the oscillators of the central biological clock. The administration of exogenous melatonin alters the timing of bodily rhythms, including sleep, whereby phase delays are observed with the morning administration of melatonin, while phase advances are found after evening administration [12]. Many sleep disorders have been treated with melatonin: delayed sleep phase syndrome, night shift work sleep disorder, seasonal affective disorder, sleep disorders in the blind and ageing, and pathophysiological disorders of children, with notable improvements in “sleep quality” [13]. The most common disorder treated with melatonin is jet lag, a de-phasing in the sleep-wake rhythms caused by transoceanic flights [14,15,16].

In mammals, melatonin is secreted by the pineal gland to the cerebrospinal fluid and to the bloodstream, presenting maximal levels during the middle of the night. This circadian pattern of melatonin secretion is regulated by the biological clock that resides in mammals within the hypothalamic suprachiasmatic nucleus (SCN) [17]. The SCN is synchronized to the environmental light-dark cycle by the light perceived by the retina. Also, the SCN regulates pineal secretion through a polysynaptic network in the paraventricular nucleus of the hypothalamus [18]. Melatonin release occurs when the noradrenaline released by paraventricular nucleus fibers activate the pineal β-adrenergic receptors, stimulating, via cyclic AMP (adenosine 3-phosphate), the expression‎ of serotonin N-acetyltransferase (SNAT), a key enzyme of melatonin biosynthesis, in the dark. Brief exposure to light provokes a decrease in melatonin production because of the degradation of SNAT in the pineal gland [19,20,21].

Until recently, it was thought that this whole process and situation had nothing to do with plant systems, and no coincidence of action was suspected. As will be seen later, the discovery of melatonin in plants, called phytomelatonin, has meant a considerable change in studies of many aspects of plant physiology. Thus, phytomelatonin has been involved in aspects such as germination, growth, rooting, fruiting, parthenocarpy, maturation, and in post-harvest. It has also been studied in key processes, such as primary/secondary metabolism, photosynthesis, senescence and CO2 intake, and in the nitrogen, phosphorus, and sulfur cycles. Also, one of the most decisive aspects has been its recognized role as a protective and alleviating agent against stressors, both biotic and abiotic. This last aspect has opened a great field of action to be able to use melatonin in agricultural treatments, such as phytoprotective and biostimulant. However, below we will try to explain the series of scientific events and discoveries in plants that, surprisingly, testify to the great similarity of action of melatonin in animals and plants. In this respect, we explain the most relevant milestones of phytomelatonin for it to be considered as a new plant hormone.

1. 서론

멜라토닌(N-아세틸-5-메톡시트립타민)은

1958년 레너와 동료들에 의해 소의 송과체에서 발견되었습니다. [

1].

이 분리된 활성 인자는 개

구리, 올챙이, 두꺼비 및 특정 어류의 피부 색소를 밝게 하지만,

멜라닌 세포의 멜라닌 입자 집합으로 인해 포유류에서는 그렇지 않습니다.

이 때문에 저자들은 이 물질을 멜라토닌이라고 명명했으며,

1959년에 N-아세틸세로토닌의 유도체로 화학적으로 확인되었습니다 [

멜라토닌은

생체 리듬 조절 호르몬으로서 특히 중요하며,

어둠의 신호로 뇌와 주변 기관에 정보를 전달합니다.

이는 내인성 동기화제로서

내분비(신경전달물질 방출을 통해) 및 기타 생리적 리듬을 조절하며,

수면-각성 주기,

계절적 주기,

생식 기능 등을 동기화합니다 [3,4,5,6,7,8,9,10,11].

멜라토닌은

수면, 체온, 경계 상태, 집중도 또는 성능, 코르티솔 리듬의 조절에

중요한 역할을 합니다.

이는 생체 리듬의 수면 문을 열어 수면을 유도하는 역할을 하며,

따라서 수면 조절제로 작용합니다.

멜라토닌은

중앙 생물학적 시계의 리듬 발생기를 조정하거나 강화합니다.

외인성 멜라토닌 투여는

수면을 포함한 신체 리듬의 시기를 변경시키며,

아침 투여 시 상위 지연이 관찰되고

저녁 투여 후 상위 진전이 나타납니다 [12].

멜라토닌은 다양한 수면 장애의 치료에 사용되어 왔습니다:

수면 상위 증후군, 야간 근무 수면 장애, 계절성 정서 장애, 시각 장애 및 노화 관련 수면 장애,

어린이의 병리생리학적 장애 등에서 “수면 품질”의 개선이 두드러지게 나타났습니다 [13].

 Many sleep disorders have been treated with melatonin: delayed sleep phase syndrome, night shift work sleep disorder, seasonal affective disorder, sleep disorders in the blind and ageing, and pathophysiological disorders of children, with notable improvements in “sleep quality.

멜라토닌으로 가장 흔히 치료되는 장애는

대양 횡단 비행으로 인한

수면-각성 리듬의 위상 불일치인 시차 증후군입니다 [14,15,16].

포유류에서 멜라토닌은

송과체에서 뇌척수액과 혈류로 분비되며,

밤 중반에 최대 농도를 보입니다.

이 멜라토닌 분비의 일주기 패턴은

포유류의 시상하부 상시교차핵(SCN)에 위치한

생물학적 시계에 의해 조절됩니다 [17].

SCN은

망막이 인식하는 빛에 의해 환경의 빛-어둠 주기와 동기화됩니다.

또한 SCN은

시상하부의 시상하부 측핵(paraventricular nucleus) 내의

다중신경회로망을 통해 송과체 분비를 조절합니다 [18].

멜라토닌 분비는

시상하부 측방핵 섬유에서 분비된

노르아드레날린이 송과체의 β-아드레날린 수용체를 활성화시켜,

어두운 환경에서 멜라토닌 생합성의 핵심 효소인

세로토닌 N-아세틸트랜스퍼레이즈(SNAT)의 발현을 사이클릭 AMP(아데노신 3-인산)를 통해

자극함으로써 발생합니다.

Melatonin release occurs when the noradrenaline released by paraventricular nucleus fibers activate the pineal β-adrenergic receptors, stimulating, via cyclic AMP (adenosine 3-phosphate), the expression‎ of serotonin N-acetyltransferase (SNAT), a key enzyme of melatonin biosynthesis, in the dark. Brief exposure to light provokes a decrease in melatonin production because of the degradation of SNAT in the pineal gland.

빛에 짧은 시간 노출되면

송과체 내 SNAT의 분해로 인해

멜라토닌 생산이 감소합니다 [19,20,21].

최근까지 이 전체 과정과 상황이 식물 시스템과 무관하며, 작용의 우연성도 의심되지 않았습니다. 후술할 것처럼 식물에서 발견된 멜라토닌(피토멜라토닌)은 식물 생리학의 다양한 측면에 대한 연구에 상당한 변화를 가져왔습니다.

따라서

피토멜라토닌은

발아, 성장, 뿌리 형성, 결실, 무수정 결실, 성숙, 수확 후 과정 등에 관여합니다.

또한

일차/이차 대사, 광합성, 노화, 이산화탄소 흡수, 질소, 인, 황 순환과 같은

핵심 과정에서도 연구되었습니다.

또한 가장 결정적인 측면 중 하나는

생물적 및 비생물적 스트레스 요인에 대한

보호 및 완화제로서의 역할이 인정된 점입니다.

이 마지막 측면은 멜라토닌을 식물 보호제 및 생물 자극제로 활용할 수 있는 광범위한 연구 분야를 열었습니다.

그러나 아래에서는

식물에서 발생한 과학적 사건과 발견의 연속을 설명하며,

놀랍게도 멜라토닌의 동물과 식물에서의 작용이

매우 유사함을 보여줍니다.

이 점에서

식물 멜라토닌이 새로운 식물 호르몬으로 고려되기 위한

가장 중요한 이정표를 설명합니다.

https://cafe.daum.net/panicbird/K5v7/330

Re: The bioactive potential of phytohormones 식물호르몬 2022

2. Topics of the First Fifteen Years

As with most of the discoveries made concerning classical plant hormones, the story of events begins with its detection in plant tissues, its metabolism and regulation, the possible cellular and physiological functions, and, finally, the discovery of its receptor(s) and its action mechanism and regulation. In this respect, we recommend consulting the excellent special issue entitled History of Plant Hormone Research, edited by Lüthen and Ludwig-Müller (2015), for some relevant details concerning the discovery of auxin, gibberellins, cytokinins, abscisic acid, ethylene, jasmonates, and brassinosteroids [22].

Until 1995, melatonin was exclusively thought to be an animal hormone and it was one of the molecules that had been most researched and written on in the scientific press, in specialized journals, such as Journal of Pineal Research, established in 1984, and the most recent Melatonin Research. But then, in 1995, three independent research groups published the unequivocal identification of melatonin in plants [23,24,25]. This data caused uncertainty since the presence of an animal hormone in plant tissues was unsuspected. Since this time, successive studies have quantified the presence of melatonin in plants, and it is now fully accepted that melatonin is present in all kingdoms, from prokaryotes to eukaryotes, from animals to plants. Melatonin of plant origin is called phytomelatonin [26]. In the first years following its discovery in plants, the research focused on physiological roles similar to those that melatonin was known to have in animals. Table 1 compiles the most relevant publications in the period 1995–2009. Thus, one of the first objectives was to demonstrate its possible participation as a chrono-regulatory molecule in photomorphogenic processes, such as flowering. The Czech group of Drs. Kolář and Macháčková spent many years attempting to demonstrate the role of phytomelatonin in the flowering of Chenopodium rubrum L. and the influence of circadian rhythms in phytomelatonin levels, unfortunately without conclusive results [27,28,29,30]. Another interesting line of work was that developed by the group of Dr. Saxena in Canada. By 2000, working with cells in culture of St John’s wort (Hypericum perforatum L.), they already had determined steps in the phytomelatonin biosynthesis pathway that were similar to those of animals, and they proposed that melatonin could act as an auxin in in vitro cell cultures due to the chemical similarity between the molecules melatonin and indole-3-acetic acid (IAA) (Sigma Co, Madrid, Spain) [31,32,33]. In 2004, using etiolated lupin (Lupinus albus L.) hypocotyls, it was first demonstrated that melatonin had a growth-stimulating effect, and its stimulatory potential was valued at up to 63% with respect to the effect of IAA [34]. This growth stimulating effect was subsequently confirmed in several species of Poaceae. The double growth-stimulating and inhibitory effect dependent on the concentration and the tissue tested (aerial or root zone), similar to that which occurs using IAA, was also demonstrated [35,36]. Also, in 2004, the first paper on the protective role of melatonin in carrot (Daucus carota L.) cells under cold stress was published [37]. In 2008, the effect of the melatonin-inducing germination of Brassica oleracea L. seeds under copper toxicity opened the door for numerous studies with the objective of demonstrating the protective effect of melatonin [38,39]. This protective effect of melatonin against diverse abiotic (drought, salinity, waterlogging, cold, heat, metal toxics, herbicides, UV radiation) and biotic (bacteria, fungi, virus) stressors has been the most widely studied aspect, featuring in numerous species and experimental situations that were all of high agronomic relevance [40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51].

2. 첫 15년의 주요 주제

고전적 식물 호르몬에 관한 대부분의 발견과 마찬가지로,

이 분야의 연구는 식물 조직에서의 발견, 대사 및 조절, 가능한 세포적 및 생리적 기능, 그리고

최종적으로 수용체(들)의 발견과 작용 메커니즘 및 조절에 이르는 과정을 거쳐 진행되었습니다.

이 점에서,

auxin, gibberellins, cytokinins, abscisic acid, ethylene,

jasmonates, 및 brassinosteroids의 발견과 관련된 세부 사항을 알아보려면

Lüthen과 Ludwig-Müller(2015)가 편집한 우수한 특별호

《식물 호르몬 연구의 역사》를 참고하는 것을 추천합니다 [22].

1995년까지 멜라토닌은 동물 호르몬으로만 알려져 있었으며,

과학 저널, 특히 1984년에 창간된 《Journal of Pineal Research》와

최신 《Melatonin Research》와 같은 전문 학술지에서

가장 많이 연구되고 논쟁된 분자 중 하나였습니다.

그러나 1995년,

세 개의 독립된 연구 그룹이

식물에서 멜라토닌의 명확한 식별을 발표했습니다 [23,24,25].

이 데이터는 동물 호르몬이

식물 조직에 존재한다는 것이 예상치 못했기 때문에

불확실성을 초래했습니다.

이 이후로 연속적인 연구들은

식물 내 멜라토닌의 존재를 정량화했으며,

현재는 멜라토닌이 원핵생물에서 진핵생물, 동물에서 식물에 이르는

모든 왕국에 존재한다는 것이 완전히 인정되고 있습니다.

식물 기원 멜라토닌은 '피토멜라토닌'이라고 불립니다[26].

식물에서 멜라토닌이 발견된 초기 몇 년간 연구는

동물에서 알려진 멜라토닌의 생리적 역할과 유사한 역할을 중심으로 진행되었습니다. 

표 1은 1995년부터 2009년까지의 가장 관련성 있는 논문을 정리한 것입니다.

따라서

초기 목표 중 하나는

멜라토닌이 꽃 피기와 같은 광형성 과정에서의

시간 조절 분자로서의 역할을 입증하는 것이었습니다.

체코의 콜라르(Kolář)와 마차코바(Macháčková) 박사의 연구진은 Chenopodium rubrum L.의 꽃 피기에서 피토멜라토닌의 역할과 생체 리듬이 피토멜라토닌 수준에 미치는 영향을 입증하기 위해 수년간 연구를 진행했으나, 결론적인 결과를 얻지 못했습니다[27,28,29,30]. 캐나다의 사クセ나(Saxena) 박사 연구진이 진행한 또 다른 흥미로운 연구도 있었습니다. 2000년까지 세인트존스워트(Hypericum perforatum L.) 세포 배양을 통해 그들은 동물과 유사한 식물 멜라토닌 생합성 경로의 단계를 규명했으며, 멜라토닌이 멜라토닌과 인돌-3-아세트산(IAA) (Sigma Co, Madrid, Spain) 사이의 화학적 유사성 때문에 체외 세포 배양에서 옥신으로 작용할 수 있다고 제안했습니다. [

[31], [32], [33].

2004년, 에티올화된 루핀(Lupinus albus L.)의 hypocotyl을 사용해 멜라토닌이 성장 촉진 효과를 갖는다는 것이 처음으로 입증되었으며, 그 촉진 잠재력은 IAA의 효과에 비해 최대 63%로 평가되었습니다 [34]. 이 성장 촉진 효과는 이후 Poaceae 속의 여러 종에서 확인되었습니다. IAA를 사용할 때와 유사하게, 농도와 시험 조직(지상부 또는 뿌리 부위)에 따라 성장 촉진 및 억제 효과가 동시에 나타나는 이중 효과가 입증되었습니다 [35,36]. 또한 2004년, 멜라토닌이 냉해 스트레스 하에서 당근(Daucus carota L.) 세포의 보호 역할을 한다는 첫 번째 논문이 발표되었습니다 [37]. 2008년, 구리 독성 하에서 Brassica oleracea L. 종자의 멜라토닌 유도 발아 효과가 보고되면서 멜라토닌의 보호 효과를 입증하기 위한 수많은 연구가 진행되었습니다 [38,39].

멜라토닌의 다양한 비생물적 (가뭄, 염분, 수분 과다, 저온, 고온, 금속 독소, 제초제, 자외선 방사선) 및

생물적(세균, 곰팡이, 바이러스) 스트레스 요인에 대한

멜라토닌의 보호 효과는 가장 광범위하게 연구된 측면으로,

농업적으로 중요한 다양한 종과 실험 조건에서 확인되었습니다[40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51].

Table 1. Most relevant studies on melatonin in plants in the period 1995–2009.

Another important role for melatonin was suggested in 2007, when it was shown that melatonin could stimulate the formation of both true and adventitious roots in lupin, stimulating the formation of root primordiae in the pericycle [52].

In 2009, another aspect of great relevance was suggested for melatonin. Barley leaves incubated with melatonin clearly retarded their loss of dark-induced chlorophylls [53]. It was later shown that, in leaf senescence, melatonin regulates transcription factors linked to senescence and chlorophyll metabolism [54]. Also, in 2009, the role of melatonin in stress situations was demonstrated, since an increase in endogenous phytomelatonin levels was recorded in a variety of stress situations, accompanied by a consequent anti-stress response [55]. All induced stresses activate the biosynthesis of phytomelatonin in tissues and are generally associated with a burst in reactive oxygen and nitrogen species (ROS/RNS). Induced stresses also up regulate the gene expression‎ of the melatonin biosynthesis enzymes tryptophan 5-hydroxylase (T5H), tryptophan decarboxylase (TDC), serotonin N-acetyltransferase (SNAT), acetylserotonin methyltransferase (ASMT) and caffeic acid O-methyltransferase (COMT) [42,47,56].

Outside the field of plant physiology, this period saw the first papers on the effect of human plasma on the consumption of fruits and vegetables rich in phytomelatonin, and the beneficial effects on the antioxidant status and improvements in sleep parameters were described [57,58,59,60,61].

This first exciting period (1995–2009) was characterized by the search for the unknown effects of melatonin in plants, sometimes based on existing knowledge of its role in animals, but on many other occasions as a result of unexpected discoveries. Figure 1 illustrates the evolution in the number of articles (papers and others) published on melatonin in plants. As can be seen from the first articles published in 1995, only 35 articles were published up to 2005 (an average of 3.2 per year). Since 2010, the publications on melatonin in plants have shown an exponential increase, reaching a maximum in 2019 with 88 articles. It is expected that in the forthcoming years, this number may well be exceeded.

2007년에 멜라토닌의 또 다른 중요한 역할이 제안되었습니다. 연구 결과, 멜라토닌이 루핀에서 진정한 뿌리와 부가적 뿌리의 형성을 자극하며, 페리사이클에서 뿌리 원시체의 형성을 촉진한다는 것이 밝혀졌습니다 [52].

2009년에는 멜라토닌의 또 다른 중요한 역할이 제안되었습니다. 멜라토닌과 함께 배양된 보리 잎은 어두움에 의한 클로로필 손실이 명확히 지연되었습니다 [53]. 이후 연구에서 잎 노화 과정에서 멜라토닌이 노화와 클로로필 대사 관련 전사 인자를 조절한다는 것이 밝혀졌습니다 [54]. 또한 2009년 멜라토닌의 스트레스 상황에서의 역할이 입증되었는데, 다양한 스트레스 상황에서 내인성 식물 멜라토닌 수치가 증가했으며, 이에 따른 항스트레스 반응이 관찰되었습니다 [55]. 모든 유도된 스트레스는 조직에서 식물 멜라토닌 생합성을 활성화하며, 일반적으로 활성 산소 및 질소 종(ROS/RNS)의 급증과 연관됩니다. 유발된 스트레스는 멜라토닌 생합성 효소인 트립토판 5-하이드록시라제(T5H), 트립토판 디카르복실라제(TDC), 세로토닌 N-아세틸트랜스퍼라제(SNAT), 아세틸세로토닌 메틸트랜스퍼라제(ASMT) 및 카페인산 O-메틸트랜스퍼라제(COMT)의 유전자 발현을 증가시킵니다 [42,47,56].

식물 생리학 분야 외에서는 이 기간에 인간 혈장이 식물 멜라토닌이 풍부한 과일과 채소의 섭취에 미치는 영향에 대한 첫 번째 연구가 발표되었으며, 항산화 상태 개선과 수면 매개변수 개선의 유익한 효과가 보고되었습니다 [57,58,59,60,61].

이 첫 번째 흥미로운 시기(1995–2009)는 식물에서의 멜라토닌의 알려지지 않은 효과를 탐구하는 과정으로 특징지어졌으며, 때로는 동물에서의 역할에 대한 기존 지식을 기반으로 했지만, 많은 경우 예상치 못한 발견의 결과로 이루어졌습니다. 그림 1은 식물에서의 멜라토닌에 관한 논문 및 기타 출판물의 수의 변화를 보여줍니다. 1995년에 발표된 첫 번째 논문부터 2005년까지 총 35편의 논문(연평균 3.2편)이 발표되었습니다. 2010년 이후 멜라토닌에 대한 논문 수는 지수적으로 증가해 2019년에 88편으로 정점을 기록했습니다. 향후 몇 년간 이 수치가 초과될 것으로 예상됩니다.

Figure 1. Evolution of the number of articles related with melatonin in plants since its discovery in 1995. For 2019, the data are based on an extrapolation of the data available to date (first 10 months).

3. Current Topic Status

The period from 2010 to the present has been very productive in terms of achievements. During this time, many of the ideas that were only suggested in the previous period have been demonstrated, and there is a very active and enthusiastic research body. Table 2 shows the most outstanding events in this second period.

Table 2. Pioneering studies on melatonin in plants in the period 2010–2019.

In this period, many more phytomelatonin determinations/quantifications have been made by studying the phytomelatonin content of many plant species, both edible and wild type, and in various plant organs (roots, leaves, stems, flowers, fruits, and seeds). The same is true for foods of plant origin and their processed and fermented products (juices, musts, wines, infusions, etc.). Additionally, many suggestions have been made regarding its nutraceutical potential [26,62,63,64,65,66,67,68,69,70].

The phytomelatonin biosynthesis route has been completed with great accuracy, mainly due to the works of Dr. K. Back and his team, in rice and Arabidopsis plants [71,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83]. One aspect of great interest has been the discovery that some melatonin catabolites, such as 2-hydroxymelatonin, also have physiological activity, a topic that merits further study [84,85,86,87,88].

The physiological aspects in which melatonin exerts some beneficial action are shown in Figure 2 and are commented on below:

이 기간 동안 많은 식물 종(식용 및 야생종)의 식물 멜라토닌 함량을 연구함으로써 식물 멜라토닌의 측정/정량화가 더욱 활발히 이루어졌습니다. 이는 식물 조직(뿌리, 잎, 줄기, 꽃, 열매, 씨앗)뿐만 아니라 식물 기원 식품 및 그 가공·발효 제품(주스, 모스, 와인, 차 등)에도 적용되었습니다. Additionally, many suggestions have been made regarding its nutraceutical potential [26,62,63,64,65,66,67,68,69,70].

식물 멜라토닌 생합성 경로는 주로 Dr. K. Back과 그의 연구팀의 연구를 통해 쌀과 아라비도프시스 식물에서 높은 정확도로 완성되었습니다 [71,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83]. 흥미로운 점 중 하나는 멜라토닌의 대사산물 중 일부인 2-하이드록시멜라토닌이 생리적 활성을 갖는다는 발견으로, 이 주제는 추가 연구가 필요한 분야입니다 [84,85,86,87,88].

멜라토닌이 일부 유익한 작용을 미치는 생리적 측면은 그림 2에 표시되어 있으며, 아래에서 설명됩니다:

Figure 2. Model of phytomelatonin action regulating redox network in abiotic and biotic stress responses.

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Figure 2 shows an overview of the protective role of phytomelatonin against abiotic and biotic stressors. Melatonin acts as a master regulator of the redox network, activating many responses mainly through the nitric oxide pathway, among others. Several recent reviews can be consulted [42,43,46,47,48,49,50,51,56,119,120,121,122,123,124].

4. Aspects that Lead One to Consider Melatonin as a New Plant Hormone

The first proposals about the possible role of phytomelatonin concerned its antioxidant potential. Chemically, melatonin is an excellent antioxidant, presenting an antioxidant potential many times greater than classical antioxidants, such as ascorbic acid, vitamin E, and others. Its capacity as a regulator of gene expression‎ soon opened the door to new hypotheses. For a molecule to be considered as a plant hormone implies knowledge of its biosynthesis, degradation, possible conjugation, transport, receptor(s), signal transduction chain, and physiological effect(s). Many of these requisites were well documented, but the detection of a phytomelatonin receptor proved more elusive [42,56], and it was not until 2018 that Dr. Chen’s group first detected and characterized the phytomelatonin receptor called PMTR1. Localized in the plasma membrane of Arabidopsis thaliana, it presents a receptor-like topology. It interacts with the G-protein a subunit (GPA1), while its expression‎ in different tissues can be induced by melatonin. PMTR1-phytomelatonin binding triggers the dissociation of Gγb and Gα, which activates a NADPH oxidase-dependent H2O2 production (RBOH), enhancing Ca2+ influx and promoting K+ efflux, all of which finally results in stomatal closure [117]. This was a crucial step for starting to consider the hormone nature of phytomelatonin. However, the consequent description of the phytomelatonin receptor in other plant species also seems to be an essential requirement. It was known that phytomelatonin exerted a regulatory role on the redox network, mobilizing a large amount of genetic resources in stress situations to restore redox homeostasis. Some detailed models, in which phytomelatonin is considered as a plant master regulator of the redox network, have been suggested [42,47,56,124]. In Figure 3 we proposed a model in which core clock, phytomelatonin and the receptor PMRT1 are integrated in the coordination and response to the redox network. Although there are data on the role of phytomelatonin as a chronoregulator in plants [41,111], this piece of the puzzle between biological clock and redox network, is yet to be confirmed experimentally, with researchers currently in its study. If this last idea is confirmed, phytomelatonin worked in transferring biological clock oscillations to the redox network and, as a plant master regulator (plant master hormone), provides the adequate response to reach redox homeostasis in stress situations, in a similar way to animal melatonin.

4. 멜라토닌을 새로운 식물 호르몬으로 고려하게 만드는 요인

식물 멜라토닌의 잠재적 역할에 대한 첫 번째 제안은 그 항산화 잠재력에 초점을 맞췄습니다.

화학적으로 멜라토닌은

우수한 항산화제로,

아스코르브산, 비타민 E 등

전통적인 항산화제보다 수십 배 높은 항산화 잠재력을 보여줍니다.

그 유전자 발현 조절 능력은 곧 새로운 가설의 문을 열었습니다.

식물 호르몬으로 고려되기 위해서는

해당 분자의 생합성, 분해, 결합 가능성, 운반, 수용체, 신호 전달 경로, 생리적 효과 등에 대한

이해가 필요합니다.

이 중 많은 요건은 잘 문서화되었지만, 식물 멜라토닌 수용체의 검출은 더 어려웠습니다[42,56], 그리고 2018년이 되어서야 Chen 박사의 연구팀이 PMTR1이라는 식물 멜라토닌 수용체를 처음으로 검출하고 특성화했습니다. Arabidopsis thaliana의 세포막에 위치하며 수용체 유사 구조를 보입니다. 이 수용체는 G-단백질 a 서브유닛(GPA1)과 상호작용하며, 멜라토닌에 의해 다양한 조직에서 발현이 유도됩니다. PMTR1-피토멜라토닌 결합은 Gγb와 Gα의 분리를 유발하며, 이는 NADPH 산화효소 의존적 H₂O₂ 생산(RBOH)을 활성화하여 Ca²⁺ 유입을 증가시키고 K⁺ 유출을 촉진합니다. 이 모든 과정은 결국 기공 폐쇄로 이어집니다 [117]. 이는 피토멜라토닌의 호르몬 성질을 고려하기 위한 중요한 단계였습니다. 그러나 다른 식물 종에서 피토멜라토닌 수용체의 후속 설명도 필수적입니다.

피토멜라토닌이 스트레스 상황에서 산화환원 네트워크에 조절 역할을 수행하여 산화환원 균형을 회복하기 위해 대규모 유전 자원을 동원한다는 것이 알려져 있었습니다. 피토멜라토닌을 산화 환원 네트워크의 식물 마스터 조절 인자로 간주하는 몇 가지 상세한 모델이 제안되었습니다 [42,47,56,124]. 그림 3에서는 코어 클럭, 피토멜라토닌 및 수용체 PMRT1이 산화 환원 네트워크에 대한 협응력과 반응에 통합된 모델을 제안했습니다. 식물에서 피토멜라토닌의 시간 조절자 역할에 대한 데이터는 존재하지만 [41,111], 생물학적 시계와 환원-산화 네트워크 사이의 이 퍼즐 조각은 아직 실험적으로 확인되지 않았으며, 현재 연구자들이 이를 연구 중입니다.

이 마지막 아이디어가 확인된다면,

피토멜라토닌은 생물학적 시계의 진동을 산화환원 네트워크로 전달하며,

식물의 주요 조절자(식물 주요 호르몬)로서 스트레스 상황에서 산화환원 균형을 달성하기 위한

적절한 반응을 제공하는 역할을 할 것입니다.

이는 동물 멜라토닌의 역할과 유사합니다.

Figure 3. Possible relationship of the triad: core biological clock-Phytomelatonin-Redox network.

5. Perspectives

Since the discovery of phytomelatonin in plants 25 years ago, much progress has been made in improving our knowledge. Its possible role as a chronobiological plant hormone, coordinating the biological clock with redox homeostasis, can explain its importance in stress responses and in regulating the levels of other plant hormones in many actions. It also explains its role in the optimization of the photosynthetic system, including the aspects of water economy and the assimilation of CO2, all of which are regulated by the biological clock.

However, all of the above lead to more questions and objectives, such as: what changes does exogenous melatonin treatment cause in the triad core clock-phytomelatonin-redox network? And what changes does it cause in the stress agents? Is there only one type of receptor for phytomelatonin? And does this regulatory triad exist in other species? In CAM (Crassulaceae Acid Metabolism) plants, which open their stomata at night, what differences exist from the model described for Arabidopsis? The answers to these and many other questions will throw further light on the fascinating world of this universal molecule.

5. 전망
25년 전 식물에서 피토멜라토닌이 발견된 이후, 이 물질에 대한 지식은 크게 발전했습니다. 

생체 시계와 산화 환원 평형을 조율하는 생물학적 시계 호르몬으로서의 역할은 

스트레스 반응과 여러 작용에서 다른 식물 호르몬의 수치를 조절하는 

피토멜라토닌의 중요성을 설명할 수 있습니다. 

또한 광합성 시스템의 최적화, 

특히 물 경제와 이산화탄소 동화 과정 등 

생물학적 시계에 의해 조절되는 측면에서의 역할도 설명됩니다.

그러나 위의 모든 내용은 다음과 같은 새로운 질문과 목표를 제기합니다: 

외인성 멜라토닌 처리가 시계-피토멜라토닌-산화환원 네트워크의 삼중 핵심 체계에 어떤 변화를 일으키나요? 

스트레스 요인에 어떤 변화를 일으킬까요? 

피토멜라토닌의 수용체는 단일 유형만 존재할까요? 

이 조절 삼중체는 다른 종에서도 존재할까요? 

CAM(Crassulaceae Acid Metabolism) 식물에서, 밤에 기공을 여는 경우, 아라비도프시스에서 설명된 모델과 어떤 차이가 있을까요? 

이러한 질문들에 대한 답변은 이 보편적인 분자의 흥미로운 세계에 대한 이해를 더욱 깊게 할 것입니다.

Author Contributions

M.B.A. conceived and designed the manuscript. M.B.A. and J.H.-R. wrote and approved the revision of manuscript. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

Funding

This research received no external funding.

Conflicts of Interest

The authors declare no conflicts of interest.

Abbreviations

AUX1	auxin transporter-like protein
ASMT	N-acetylserotonin methyltransferase
CAM	Crassulaceae acid metabolism
CCA1	circadian clock associated-1
COMT	caffeoyl-O-methyl transferase
GAs	gibberellins
IAA	indole-3-acetic acid
LHY	late elongated hypocotyl
PIN	auxin efflux transporters
PMTR1	phytomelatonin receptor
RBOH	NADPH oxidase-dependent H2O2 production
RNS	reactive nitrogen species; ROS, reactive oxygen species
SAR	systemic acquired resistance
SCN	suprachiasmatic nucleus
SNAT	serotonin N-acetyltransferase
T5H	tryptophan 5-hydroxylase
TDC	tryptophan decarboxylase
TOC1	timing of CAB expression‎-1

References

1. Lerner, A.B.; Case, J.D.; Takahashi, Y.; Lee, T.H.; Mori, W. Isolation of melatonin, a pineal factor that lightens melanocytes. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 2587. [Google Scholar] [CrossRef]
2. Reiter, R.J. The melatonin rhythm: Both a clock and a calendar. Experientia 1993, 49, 654–664. [Google Scholar] [CrossRef]