O zmierzchu liście drzewa tamaryndowca zamykają się, czekając na kolejny świt. Androstenes, kapitan statku służący pod rządami Aleksandra Wielkiego, pierwszy pisemnie opisał ruchy liści w czwartym wieku przed naszą erą
Wieki trwały dłużej, zanim odkrył, że opisuje skutki zegara okołodobowego. Ten wewnętrzny mechanizm wyczuwania czasu pozwala wielu żywym organizmom śledzić czas i koordynować ich zachowania podczas 24-godzinnych cykli. Podąża za regularnymi cyklami dnia / nocy i sezonowymi codziennymi obrotami Ziemi. Dotychczasowe badania okołodobowe posunęły się tak daleko, że Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny 2017 została przyznana za przełomową pracę, która wyjaśniła molekularne podstawy leżące u podstaw rytmów okołodobowych.
Biolodzy tacy jak my badają zegary okołodobowe w roślinach, aby dowiedzieć się, jak wpływają one na zdrowie i dobre samopoczucie całego życia na Ziemi. W miarę, jak naukowcy nadal rozplątują więcej informacji na temat działania tych zegarów - w tym ich wpływu na interakcje między gospodarzami a ich atakującymi patogenami i szkodnikami - na horyzoncie mogą pojawić się nowe formy precyzyjnej medycyny precyzyjnej.
Nasz ukryty rozrusznik serca
Organizmy ze wszystkich trzech dziedzin życia mają niesamowitą różnorodność rytmów okołodobowych. Pozornie proste sinice zastępują aktywność fotosyntetyczną między dniem a nocą. Grzyb Neurospora crassa produkuje zarodniki każdego ranka tuż przed świtem. Migrujące motyle monarchiczne używają delikatnego kompasu słonecznego podczas corocznej migracji. Zegar dobowy ma wpływ na prawie każdy aspekt ludzkiej działalności - możesz to łatwo zobaczyć w sobie, jeśli przelatujesz przez strefy czasowe lub wykonujesz pracę zmianową.
Siłą napędową rytmów okołodobowych jest to, co naukowcy nazywają centralnym oscylatorem zegara dobowego, rozbudowaną siecią genów, które wzajemnie włączają się i wyłączają. Razem tworzą złożone pętle sprzężenia zwrotnego, które dokładnie kalibrują czas.
Chociaż poszczególne geny zegara nie zawsze są takie same we wszystkich dziedzinach życia, mechanizm sprzężenia zwrotnego centralnego oscylatora jest taki. Mechanizm ten działa jak przełącznik synchronizujący codzienne czynności organizmu z fluktuacjami dnia i nocy oraz innymi zmianami środowiskowymi. Takie niesamowite działania równoważące odzwierciedlają zdolność organizmów do przewidywania zmian środowiska w ciągu dnia.
Dokładne mierzenie czasu i zdrowie
Dobrze skalibrowany zegar okołodobowy ma kluczowe znaczenie dla wzrostu i sprawności, dlatego niedopasowanie zegara okołodobowego do wskazówek środowiskowych powoduje różnorodne i daleko idące problemy zdrowotne. Niektóre choroby ludzkie, w tym cukrzyca, otyłość, choroby sercowo-naczyniowe i niektóre zaburzenia psychiczne, takie jak depresja i choroba afektywna dwubiegunowa, są prawdopodobnie związane z niezsynchronizowaniem zegarów dobowych ze środowiskiem.
Po zakażeniu grzybem rośliny z zmutowanym zegarem dobowym (po prawej) wykazywały znacznie więcej uszkodzeń niż normalne rośliny (po lewej). (Hua Lu, CC BY-ND) Coraz więcej dowodów łączy także zegar dobowy ze zdrowiem roślin. W szczególności naukowcy zajmujący się roślinami wykazali, że odpowiednio dostrojony zegar okołodobowy jest ważny dla odporności chorób roślin na tablice patogenów i szkodników. Chociaż rośliny nie wytwarzają przeciwciał ani nie wykorzystują wyspecjalizowanych komórek odpornościowych do odpierania najeźdźców, niektóre aspekty ich układu odpornościowego są podobne do naszego. Ze względu na to, jak łatwo jest je hodować i manipulować genetycznie, niektóre rośliny, takie jak Arabidopsis, służą jako idealne systemy do badania, w jaki sposób zegar okołodobowy wpływa na wynik chorób roślin po zainfekowaniu.
Interakcje roślina-patogen przez całą dobę
Rośliny, będąc nieruchome, muszą strategicznie alokować swoją ograniczoną energię i zasoby w obliczu patogenów i szkodników. Mają wyrafinowaną umiejętność mierzenia czasu obrony, która pozwala im przewidywać prawdopodobne ataki przed ich wystąpieniem i modulować reakcje obronne na prawdziwych atakujących.
Szparki są małymi porami na powierzchni rośliny, które mogą się otwierać i zamykać. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) Czoło obrony roślin znajduje się na powierzchni. Fizyczne cechy, takie jak rzęsy, wystające małe włosy, ochronne rośliny, a powłoki woskowe powstrzymują najeźdźców przed przyleganiem do powierzchni. Powierzchnia rośliny ma również liczne pory przypominające usta, zwane szparkami. Zwykle szparki rytmicznie otwierają się w ciągu dnia i zamykają w nocy, proces regulowany przez zegar dobowy w oczekiwaniu na zmiany światła i wilgotności. Chociaż proces ten jest ważny dla fotosyntezy i wymiany wody, niektóre patogeny mogą wykorzystywać otwierające aparaty szpikowe jako portale umożliwiające dostęp do składników odżywczych i przestrzeni w tkance roślinnej, a zamykające aparaty szparkowe ograniczają inwazję patogenów.
Poza fizycznymi barierami na linii frontu, rośliny ewoluowały złożone systemy nadzoru w celu wykrywania patogenów i szkodników jako intruzów. Gdy receptory na powierzchni komórki rozpoznają patogen, roślina natychmiast zamyka szparki w miejscu inwazji. Dysfunkcyjne zegary okołodobowe upośledzają zamknięcie jamy ustnej, powodując cięższą chorobę.
Dalsze rozpoznanie patogenu wysyła sygnały ostrzegawcze w głąb tkanki roślinnej, aktywując arsenał odpowiedzi obronnych, w tym przeprogramowanie ekspresji genów, produkcję związków przeciwdrobnoustrojowych i wzmocnienie sygnalizacji obronnej. Nawet przy braku patogenów wiele z tych odpowiedzi wykazuje niskie, ale rytmiczne zmiany, na które wpływa zegar dobowy. Kiedy nadejdzie prawdziwy atak, codzienna próba systemów obrony przez rośliny zapewnia silną i skoordynowaną ochronę na czas. Atakują rośliny z nieprawidłowo ustawionymi zegarami.
Doskonały przykład czasu, w którym roślina broni się w obronie, pochodzi od grupy Xinniana Donga na Uniwersytecie Duke'a. Hyaloperonospora arabidopsidis jest patogenem, który rano rozprzestrzenia swoje zjadliwe zarodniki i powoduje choroby u roślin Arabidopsis . Grupa Donga elegancko wykazała, że Arabidopsis przewiduje ten atak, wyrażając o świcie zestaw genów obronnych, które dają odporność na patogen. Kiedy naukowcy zakłócili zegar okołodobowy Arabidopsis, zlikwidował on dziś rano obronę i uczynił roślinę bardziej podatną.
Rośliny polegają również na szybkiej obronie w celu zwalczania owadów. Na przykład zapętlacze kapusty wykazują szczytową aktywność karmienia przed zmierzchem. Piękna praca grupy Janet Braam na Uniwersytecie Rice wykazała, że Arabidopsis wytwarza hormon sygnalizacji obronnej kwas jasmonowy ze szczytem w południe w oczekiwaniu na ten atak. Kiedy owady faktycznie uderzają, zegar dobowy wzmacnia tę obronę w południe, wytwarzając więcej kwasu jasmonowego w celu zahamowania żerowania owadów.
Czy zegary tańczą parami?
Jak widać z tych przykładów, patogeny i szkodniki mają własne zegary dobowe i wykorzystują je do określenia najlepszego czasu na aktywność. Jak ta umiejętność wpływa na ich inwazje na gospodarzy? Jak dotąd badacze nie są pewni, czy zegary patogenów i szkodników są skoordynowane z zegarem gospodarza. Jeśli tak, to ich synchronizacja może wpłynąć na wynik ich interakcji.
Obecne dowody wskazują, że niektóre drobnoustroje eukariotyczne, takie jak Hyaloperonospora arabidopsidis i Botrytis cinerea, są w stanie manipulować zegarem okołodobowym Arabidopsis . Nawet patogeny prokariotyczne, takie jak Pseudomonas syringae, pomimo braku kanonicznego centralnego oscylatora, mogą zakłócać działanie zegarów roślinnych na różne sposoby.
U ludzi i myszy niektóre populacje mikroflory jelitowej oscylują codziennie, w zależności od zegara okołodobowego gospodarza. Co ciekawe, mikroflora jelitowa jest w stanie przeprogramować zegar gospodarza. Jak zachodzi ta komunikacja transkingdom? Jak może wpłynąć na wynik interakcji gospodarza i drobnoustroju? Badania w tym obszarze reprezentują fascynujący i niezbadany poziom dynamiki gospodarz-najeźdźca.
Dobrze zaplanowane działania na roślinach - takie jak zamykające liście drzewa tamaryndowca zauważone przez Androstenesa przed tysiącami lat - mogą w końcu pomóc nam zaprojektować bardziej precyzyjne leki. (oraphan_nan / Shutterstock.com) Zegar jako uzdrowiciel i pomocnik
Możliwość zintegrowania wskazówek czasowych z rozwojem i reakcjami na ataki środowiskowe jest adaptacją ewolucyjną. Rośliny wiele nauczyły biologów o rytmach dobowych i ich roli w modulowaniu wszystkiego, od rozwoju po obronę.
Badania zegara otworzyły możliwość zastosowania tej wiedzy do innych systemów, w tym ludzi. Jak możemy modyfikować codzienne przełączanie niektórych funkcji obronnych w celu zwiększenia odporności bez powodowania stresu rozwojowego? O jakich porach dnia jesteśmy najbardziej podatni na niektóre patogeny? Jakie są najbardziej inwazyjne pory dnia dla różnych patogenów i szkodników?
Odpowiedzi na takie pytania pomogą rozwikłać interakcje między gospodarzem a patogenem / szkodnikiem, nie tylko w roślinach, ale także w ludziach. Wiedza ta może ostatecznie przyczynić się do opracowania precyzyjnych leków, które są dostosowane do zwiększania w odpowiednim czasie obrony poszczególnych osób w walce z różnymi patogenami i szkodnikami. Ponadto nasze zrozumienie odporności roślin na choroby pomoże w rolnej kontroli patogenów i szkodników, łagodząc globalne wyzwanie związane z utratą plonów.
Trwające badania wciąż ujawniają, jak wpływ rytmów okołodobowych rozciąga się tak bezgranicznie, jak promienie słoneczne.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Hua Lu, profesor nadzwyczajny nauk biologicznych, University of Maryland, hrabstwo Baltimore
Linda Wiratan, BS Student biochemii i biologii molekularnej, University of Maryland, hrabstwo Baltimore
