Melatonin is a pleiotropic signaling molecule that plays multifarious roles in plants stress tolerance. The polyamine (PAs) metabolic pathway has been suggested to eliminate the effects of environmental stresses. However, the underlying mechanism of how melatonin and PAs function together under heat stress largely remains unknown. In this study, we investigated the potential role of melatonin in regulating PAs and nitric oxide (NO) biosynthesis, and counterbalancing oxidative damage induced by heat stress in tomato seedlings.Heat stress enhanced the overproduction of reactive oxygen species (ROS) and damaged inherent defense system, thus reduced plant growth. However, pretreatment with 100 μM melatonin (7 days) followed by exposure to heat stress (24 h) effectively reduced the oxidative stress by controlling the overaccumulation of superoxide (O2•-) and hydrogen peroxide (H2O2), lowering the lipid peroxidation content (as inferred based on malondialdehyde content) and less membrane injury index (MII). This was associated with increased the enzymatic and non-enzymatic antioxidants activities by regulating their related gene expression and modulating the ascorbate-glutathione cycle. The presence of melatonin induced respiratory burst oxidase (RBOH), heat shock transcription factors A2 (HsfA2), heat shock protein 90 (HSP90), and delta 1-pyrroline-5-carboxylate synthetase (P5CS) gene expression, which helped detoxify excess ROS via the hydrogen peroxide-mediated signaling pathway. In addition, heat stress boosted the endogenous levels of putrescine, spermidine and spermine, and increased the PAs contents, indicating higher metabolic gene expression. Moreover, melatonin-pretreated seedlings had further increased PAs levels and upregulated transcript abundance, which coincided with suppression of catabolic-related genes expression. Under heat stress, exogenous melatonin increased endogenous NO content along with nitrate reductase- and NO synthase-related activities, and expression of their related genes were also elevated.Melatonin pretreatment positively increased the heat tolerance of tomato seedlings by improving their antioxidant defense mechanism, inducing ascorbate-glutathione cycle, and reprogramming the PAs metabolic and NO biosynthesis pathways. These attributes facilitated the scavenging of excess ROS and increased stability of the cellular membrane, which mitigated heat-induced oxidative stress.

Abstract The stomatal-aperture is imperative for plant physiological metabolism. The function of polyamines (PAs) in stomatal regulation under stress environment largely remains elucidate. Herein, we investigated the regulatory mechanism of exogenous putrescine (Put) on the stomatal opening of cucumber leaves under salt stress. The results revealed that Put relieved the salt-induced photosynthetic inhibition of cucumber leaves by regulating stomatal-apertures. Put application increased hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and decreased abscisic acid (ABA) content in leaves under salt stress. The inhibitors of diamine oxidase (DAO), polyamine oxidase (PAO), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase (NADPH) are AG, 1,8-DO and DPI, respectively and pre-treatment with these inhibitors up-regulated key gene NCED of ABA synthase and down-regulated key gene GSHS of reduced glutathione (GSH) synthase. The content of H 2 O 2 and GSH were decreased and ABA content was increased and its influenced trend is AG>1,8-DO>DPI. Moreover, the Put induced down-regulation of ABA content under salt stress blocked by treatment with H 2 O 2 scavenger (DMTU) and GSH scavenger (CNDB). Additionally, the application of DMTU also blocked the increase of GSH content. Collectively, these results suggest that Put can regulate GSH content by promoting H 2 O 2 generation through polyamine metabolic pathway, which inhibits ABA accumulation to achieve stomatal regulation under salt stress. Highlight Exogenous putrescine alleviates photosynthesis inhibition in salt-stressed cucumber seedlings by regulating stomatal-aperture.

Cotton fiber (Gossypium hirsutum) serves as an ideal model for investigating the molecular mechanisms of plant cell elongation at the single-cell level. Brassinosteroids (BRs) play a crucial role in regulating plant growth and development. However, the mechanism by which BR influences cotton fiber elongation remains incompletely understood. In this study, we identified EXORDIUM-like (GhEXL3) through transcriptome analysis of fibers from BR-deficient cotton mutant pagoda 1 (pag1) and BRI1-EMS-SUPPRESSOR 1 (GhBES1.4, encoding a central transcription factor of BR signaling) overexpression cotton lines. Knockout of GhEXL3 using CRISPR/Cas9 was found to impede cotton fiber elongation, while its overexpression promoted fiber elongation, suggesting a positive regulatory function for GhEXL3 in fiber elongation. Furthermore, in vitro ovule culture experiments revealed that the overexpression of GhEXL3 partially counteracted the inhibitory effects of brassinazole (BRZ) on cotton fiber elongation, providing additional evidence of GhEXL3 involvement in BR signaling pathways. Moreover, our findings demonstrate that GhBES1.4 directly binds to the E-box (CACGTG) motif in the GhEXL3 promoter region and enhances its transcription. RNA-seq analysis revealed that overexpression of GhEXL3 upregulated the expression of EXPs, XTHs, and other genes associated with fiber cell elongation. Overall, our study contributes to understanding the mechanism by which BR regulates the elongation of cotton fibers through the direct modulation of GhEXL3 expression by GhBES1.4.

When plants suffer from abiotic stresses, cyclic electron flow (CEF) is induced for photoprotection. Putrescine (Put), a main polyamine in chloroplasts, plays a critical role in stress tolerance. To elucidate the mechanism of Put regulating CEF for salt-tolerance in cucumber leaves, we measured chlorophyll fluorescence, P700 redox state, ATP and NADPH accumulation and so on. The maximum photochemical efficiency of PSII (Fv/Fm) was not influenced by NaCl and/or Put, but the activity of PSI reaction center (P700) was seriously inhibited by NaCl. Salt stress induced high level of CEF, moreover, NaCl and Put treated plants exhibited much higher CEF activity and ATP accumulation than single salt-treated plants to provide adequate ATP/NADPH ratio for plants growth. Furthermore, Put decreased the trans-membrane proton gradient (ΔpH), accompanied by reducing the pH-dependent non-photochemical quenching (qE) and increasing efficient quantum yield of PSII (Y(II)). The ratio of NADP+/NADPH in salt stressed leaves was significantly increased by Put, indicating that Put relieved over-reduction pressure at PSI accepter side. Taken together, our results suggest that exogenous Put enhances CEF to supply extra ATP for PSI recovery and CO2 assimilation, decreases ΔpH for electron transport related proteins staying active, and enable the non-photochemical quenching transformed into photochemical quenching.