Ob mraku se listi drevesa tamarinda zaprejo in čakajo na novo zoro. Androsthenes, kapitan ladje, ki je služil pod Aleksandrom Velikim, je prvi pisni opis teh premikov listov opravil v četrtem stoletju pred našim štetjem
Dolga stoletja je trajalo, da je odkril, kako opisuje učinke cirkadianske ure. Ta notranji mehanizem zaznavanja časa omogoča mnogim živim organizmom, da spremljajo čas in usklajujejo svoje vedenje v 24-urnih ciklih. Sledi rednemu dnevu / noči in sezonskim ciklom dnevnega vrtenja Zemlje. Cirkadijske raziskave so napredovale tako daleč, da je bila Nobelova nagrada za fiziologijo ali medicino za leto 2017 podeljena za prelomno delo, ki je razjasnilo molekularno osnovo, ki temelji na cirkadianih ritmih.
Biologi, kot smo mi, preučujejo cirkadijske ure v rastlinah, da bi vpogledali, kako vplivajo na zdravje in dobro počutje vsega življenja na Zemlji. Ko raziskovalci še naprej raztrebljajo, kako delujejo te ure - vključno s tem, kako vplivajo na interakcijo med gostitelji in njihovimi napadalnimi patogeni in škodljivci - bi se lahko na obzorju pojavile nove oblike posebej natančnega zdravila.
Naš skriti spodbujevalnik
Organizmi z vseh treh področij življenja imajo neverjetno raznolikost cirkadianih ritmov. Na videz preproste cianobakterije med dnevom in nočjo izmenjujejo fotosintetsko aktivnost. Gliva Neurospora crassa vsako jutro ustvari spore tik pred zori. Metri selitveni monarhi uporabljajo nežen sončni kompas pri svoji letni selitvi. Skoraj na vsak vidik človeške dejavnosti vpliva cirkadijska ura - to lahko preprosto vidite tudi v sebi, če letete čez časovne pasove ali se ukvarjate s premikom.
Gonilna sila cirkadijskih ritmov je tisto, kar znanstveniki imenujejo osrednji oscilator cirkadianske ure, predelana mreža genov, ki medsebojno vklapljajo in izklapljajo aktivnost. Skupaj tvorita kompleksne povratne zanke, ki natančno umerijo čas.
Čeprav posamezni geni ur niso vedno enaki na področjih življenja, je mehanizem povratne informacije centralnega oscilatorja. Ta mehanizem deluje kot stikalo za sinhronizacijo dnevnih dejavnosti organizma z nihanji dneva in noči in drugimi spremembami v okolju. Takšna neverjetna ravnovesna dejanja odražajo sposobnost organizmov, da skozi dan predvidijo spreminjajoče se okolje.
Natančno merjenje časa in zdravje
Dobro umerjena cirkadijska ura je ključnega pomena za rast in kondicijo, zato neskladnost cirkadianske ure z okoljskimi smernicami povzroča raznolike in daljnosežne zdravstvene težave. Nekatere človeške bolezni, vključno s sladkorno boleznijo, debelostjo, srčno-žilnimi boleznimi in nekaterimi psihiatričnimi motnjami, kot so depresija in bipolarna motnja, so verjetno povezane s cirkadijskimi urami, ki niso usklajene z okoljem.
Po okužbi z glivicami so rastline z mutantno cirkadiansko uro (desno) pokazale veliko več škode kot običajne rastline (levo). (Hua Lu, CC BY-ND) Vse več dokazov povezuje tudi cirkadijsko uro z zdravjem rastlin. Zlasti rastlinski znanstveniki so pokazali, da je pravilno nastavljena cirkadianska ura pomembna za odpornost rastlin na bolezni na niz patogenov in škodljivcev. Čeprav rastline ne proizvajajo protiteles ali ne uporabljajo specializiranih imunskih celic za preprečevanje napadalcev, so nekateri vidiki njihovega imunskega sistema podobni kot pri nas. Nekatere rastline, na primer Arabidopsis, služijo kot idealen sistem za raziskovanje, kako cirkadianska ura vpliva na izid bolezni pri okuženih rastlinah, kako enostavno jih je gojiti in z njimi gensko manipulirati.
Interakcije med rastlinami in patogeni
Rastline morajo biti, ko so soočene s patogeni in škodljivci, strateško razporediti svojo omejeno energijo in vire. Imajo izpopolnjeno sposobnost časovnega zagona obrambe, kar jim omogoča, da predvidijo možne napade, še preden se pojavijo, in modulirajo odzive obrambe na prave napadalce.
Stomati so majhne pore na rastlinski površini, ki se lahko odpirajo in zapirajo. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) Na čelu obrambe rastlin je na površini. Fizikalne lastnosti, kot so trihomi, majhne dlačice, ki izstopajo, zaščitno prekrivajo rastlino in prevleke z voskom preprečujejo napadalce, da se prilepijo na površino. Rastlinska površina ima tudi številne ustne pore, ki jih imenujemo stomati. Običajno se želodci ritmično odpirajo podnevi in zapirajo ponoči, postopek, ki ga ureja cirkadijska ura v pričakovanju sprememb svetlobe in vlažnosti. Čeprav je ta postopek pomemben za fotosintezo in izmenjavo vode, lahko nekateri povzročitelji uporabljajo odpiranje želodcev kot portale za dostop do hranil in prostora znotraj rastlinskega tkiva, zapiranje želodca pa omejuje invazijo patogenov.
Ob fizičnih ovirah so rastline razvile kompleksne nadzorne sisteme za odkrivanje povzročiteljev bolezni in škodljivcev kot vsiljivcev. Ko celični receptorji na površini prepoznajo patogena, rastlina na mestu invazije takoj zapre svoje želodce. Disfunkcionalne cirkadijske ure poslabšajo stomatalno zapiranje, kar ima za posledico hujšo bolezen.
Nadaljnje prepoznavanje patogenov pošilja alarmne signale globoko v rastlinsko tkivo in aktivira arzenal obrambnih odzivov, vključno z reprogramiranjem genske ekspresije, proizvodnjo protimikrobnih spojin in izboljšanjem obrambne signalizacije. Tudi v odsotnosti patogenov mnogi od teh odzivov kažejo nizke, a ritmične spremembe, na katere vpliva cirkadijska ura. Ko pride do pravega napada, vsakodnevna vaja obrambnih sistemov rastlin zagotavlja močno in usklajeno pravočasno obrambo. Rastline z napačno urejenimi urami podležejo napadu.
Odličen primer obrata, ki je zasledil svojo obrambo, izvira iz skupine Xinnian Dong na Univerzi Duke. Hyaloperonospora arabidopsidis je patogen, ki zjutraj širi svoje virulentne spore in povzroča bolezen pri rastlinah Arabidopsis . Donggova skupina je elegantno pokazala, da Arabidopsis predvideva ta napad z izražanjem nabora obrambnih genov ob zori, ki daje odpor proti patogenu. Ko so raziskovalci zmotili cirkadijsko uro Arabidopsis, je ta jutranja obramba odpravila in rastlino naredila bolj dovzetno.
Rastline se zanašajo tudi na pravočasno obrambo za boj proti žuželkam. Na primer, zanke zelja imajo največjo aktivnost hranjenja pred mrakom. Čudovito delo skupine Janet Braam na univerzi Rice je pokazalo, da Arabidopsis v pričakovanju tega napada proizvaja obrambni signalni hormon jasmonsko kislino s pikom. Ko žuželke dejansko udarijo, cirkadijska ura poveča to obrambo opoldne, kar ustvarja več jasmonske kisline, da zavira hranjenje žuželk.
Ali ure plešejo v parih?
Kot je razvidno iz teh primerov, imajo patogeni in škodljivci svoje cirkadijske ure in jih uporabljajo za določitev najboljšega časa za aktivacijo. Kako ta sposobnost vpliva na njihov napad na gostitelje? Zaenkrat raziskovalci niso prepričani, ali so ure patogena in škodljivcev usklajene z gostiteljem. Če so, bi lahko glede na to, kako so sinhronizirani, določili izid svojih interakcij.
Trenutni dokazi kažejo, da nekateri evkariontski mikrobi, na primer Hyaloperonospora arabidopsidis in Botrytis cinerea, zmorejo manipulirati s cirkadijsko uro Arabidopsis . Tudi prokariotski patogeni, kot je Pseudomonas syringae, kljub pomanjkanju kanoničnega osrednjega oscilatorja, lahko na različne načine motijo rastlinske ure.
Pri ljudeh in miših nekatere populacije črevesnih mikrobiot nihajo vsak dan, odvisno od cirkadiane ure gostitelja. Zanimivo je, da lahko črevesna mikrobiota reprogramira gostiteljsko uro. Kako pride do te komunikacije o transkingdom? Kako lahko vpliva na rezultat interakcij gostitelja in mikrobov? Raziskave na tem področju predstavljajo fascinantno in neraziskano stopnjo dinamike gostitelj-napadalec.
Dobro zastavljena dejanja v rastlinah - podobno kot zapirajoči listi tamarindovega drevesa, ki jih je pred tisočletji opazil Androsthenes - bi nam lahko sčasoma pomagala oblikovati natančnejša zdravila. (oraphan_nan / Shutterstock.com) Ura kot zdravilka in pomočnica
Sposobnost vključevanja časovnih napotkov z razvojem in odzivi na okoljske napade je evolucijska prilagoditev. Rastline so biologe naučile veliko o cirkadianih ritmih in njihovi vlogi pri modulaciji vsega, od razvoja do obrambe.
Raziskave ur so odprle priložnost za uporabo tega znanja na drugih sistemih, vključno s človekom. Kako lahko spremenimo vsakodnevno kolesarjenje določenih obrambnih značilnosti za izboljšanje imunosti, ne da bi povzročali razvojni stres? Kateri čas dneva smo do nekaterih povzročiteljev najbolj dovzetni? Kateri so za različne patogene in škodljivce najbolj invazivni čas dneva?
Odgovori na taka vprašanja bodo pomagali razkriti interakcije gostitelj-patogen / škodljivec, ne samo pri rastlinah, temveč tudi pri ljudeh. Konec koncev bi lahko to znanje pripomoglo k oblikovanju natančnih zdravil, ki so prilagojena za pravočasno obrambo posameznih ljudi za boj proti različnim patogenom in škodljivcem. Poleg tega bo naše razumevanje odpornosti na rastlinske bolezni pomagalo kmetijskemu nadzoru patogenov in škodljivcev ter blažilo svetovni izziv izgube pridelka.
Nadaljnje raziskave razkrivajo, kako se vpliv cirkadianih ritmov širi tako brezmejno kot sončni žarki.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Hua Lu, izredni profesor za biološke vede, Univerza v Marylandu, okrožje Baltimore
Linda Wiratan, študentka biologije in molekularne biologije, univerza v Marylandu, okrožje Baltimore
