La remodelación de lípidos de membrana representa un mecanismo adaptativo crucial para las plantas en respuesta al estrés por sequía. Este estudio investigó la influencia reguladora de la melatonina sobre los atributos fotosintéticos, el daño oxidativo y el metabolismo lipídico de plántulas de mijo cola de zorro sometidas a estrés por sequía, con un énfasis particular en las alteraciones en la composición lipídica y la insaturación de ácidos grasos. Los hallazgos indicaron que el tratamiento con melatonina mejoró notablemente la tolerancia a la sequía de las plántulas de mijo cola de zorro, resultando en aumentos en el contenido de clorofila, la tasa fotosintética neta y el peso seco total en un 51.2%, 39.8% y 51.1%, respectivamente. La melatonina aumentó los niveles de monogalactosil-diacilglicerol (MGDG), digalactosil-diacilglicerol (DGDG), sulfoquinovosil-diacilglicerol (SQDG) y fosfatidilcolina (PC), mientras promovía la acumulación de ácidos grasos insaturados (18:3) y conducía a un aumento en el índice de enlaces dobles (DBI). Concurrentemente, hubo alteraciones significativas en la expresión de genes asociados con la biosíntesis de glicolípidos y fosfolípidos, alineándose con los cambios observados en los componentes lipídicos. Estos hallazgos indican que la melatonina potencialmente mejora la tolerancia a la sequía de las plántulas de mijo cola de zorro a través de la regulación de la reprogramación metabólica lipídica. Este proceso implica un aumento en el contenido de ácidos grasos insaturados y una optimización del índice de insaturación lipídica, que en conjunto contribuyen a una mayor estabilidad, fluidez e integridad de las membranas celulares.