En este estudio, se investigaron los efectos del aumento inducido por la melatonina en los parámetros fotosintéticos principales y el mecanismo antioxidante en plantas de avena expuestas a estrés osmótico inducido por polietilenglicol (PEG). Los parámetros de crecimiento, contenido de clorofila, conductancia estomática, acumulación de prolina, peroxidación lipídica y fuga de electrolitos mostraron mejoras notables entre los grupos. El tratamiento con melatonina provocó la regulación al alza de los genes que codifican las tres principales enzimas antioxidantes: ascorbato peroxidasa, superóxido dismutasa y catalasa. Los análisis cinéticos de fluorescencia de clorofila-a revelaron que el tratamiento con melatonina mejoró los índices de rendimiento (PI y PI), los rendimientos cuánticos y las eficiencias del fotosistema II (PSII) en plantas de avena sometidas a estrés osmótico inducido por PEG. Además, la regulación al alza de cinco genes que codifican las proteínas centrales de PSII implicó que la melatonina ejerció una influencia positiva en la fotosíntesis en condiciones de estrés osmótico.