Привечер листата на дървото на тамаринд се затварят в очакване на друга зора. Андростен, капитан на кораб, служещ при Александър Велики, направи първия писмен отчет за тези движения на листата през четвърти век преди Христа
Отнеха векове повече, за да открие, че той описва ефектите на циркадния часовник. Този вътрешен механизъм за определяне на времето позволява на много живи организми да следят времето и да координират своето поведение по време на 24-часови цикли. Следва регулярния ден / нощ и сезонните цикли на ежедневното въртене на Земята. Циркадските изследвания са напреднали досега, че Нобеловата награда за физиология или медицина за 2017 г. е присъдена за новаторската работа, която изяснява молекулярната основа, лежаща в основата на циркадните ритми.
Биолози като нас изучават циркадните часовници в растенията, за да разберат как те влияят върху здравето и благосъстоянието на целия живот на Земята. Тъй като изследователите продължават да разплитат повече за това как работят тези часовници - включително как влияят върху взаимодействията между гостоприемниците и техните нахлуващи патогени и вредители - на хоризонта могат да се появят нови форми на специално приготвена прецизна медицина.
Нашият скрит пейсмейкър
Организмите от трите области на живота притежават удивително разнообразие от циркадни ритми. На пръв поглед прости цианобактерии редуват фотосинтетична активност между деня и нощта. Гъбичката Neurospora crassa произвежда спори всяка сутрин точно преди разсъмване. Мигриращите пеперуди монарх използват деликатен слънчев компас в годишната си миграция. Почти всеки аспект от човешката дейност се влияе от циркадния часовник - лесно можете да видите това в себе си, ако летите през часови зони или се включите в работа на смени.
Движещата сила зад циркадните ритми е това, което учените наричат централния осцилатор на циркадния часовник, сложна мрежа от гени, които включват и изключват дейността си взаимно. Заедно те образуват сложни контури за обратна връзка, които точно калибрират времето.
Въпреки че отделните гени на часовника не винаги са еднакви в домейните на живота, механизмът за обратна връзка на централния осцилатор е. Този механизъм действа като превключвател за синхронизиране на ежедневните дейности на организма с колебанията на деня и нощта и други промени в околната среда. Такива невероятни балансиращи актове отразяват способностите на организмите да предвидят променящата се среда през целия ден.
Прецизно време и здраве
Добре калибрираният циркаден часовник е от решаващо значение за растежа и фитнеса, поради което разминаването на циркадния часовник с екологичните сигнали причинява разнообразни и мащабни здравословни проблеми. Някои човешки заболявания, включително диабет, затлъстяване, сърдечно-съдови заболявания и някои психиатрични разстройства, като депресия и биполярно разстройство, вероятно са свързани с циркадните часовници, които не са в синхрон с околната среда.
След заразяване от гъбички, растенията с мутант циркаден часовник (вдясно) показаха много повече щети от нормалните растения (вляво). (Хуа Лу, CC BY-ND) Нарастващите доказателства също свързват циркадния часовник с здравето на растенията. По-специално, учените по растенията са показали, че правилно настроеният циркаден часовник е важен за устойчивостта на болестта на растенията срещу масиви от патогени и вредители. Въпреки че растенията не произвеждат антитела или използват специализирани имунни клетки, за да предпазят от нашественици, някои аспекти на имунната им система са подобни на нашите. Поради колко лесно е да ги отглеждате и да ги манипулирате генетично, някои растения, като арабидопсис, служат като идеални системи за изследване как циркадният часовник влияе върху резултата от заболяванията при веднъж заразените растения.
Взаимодействия между растения и патогени денонощно
Растенията, бидейки неподвижни, трябва стратегически да разпределят ограничената си енергия и ресурси, когато са изправени пред патогени и вредители. Те имат усъвършенстваната способност да отчитат времето на защитата си, което им позволява да предвидят вероятни атаки, преди да се появят, и да модулират защитните отговори на реални нападатели.
Стомасите са малки пори на повърхността на растението, които могат да се отварят и затварят. (Валентина Морару / Shutterstock.com) Предната част на защитата на растенията е на повърхността. Физически характеристики като трихоми, малки косъмчета, които стърчат, защитно покриват растение, а восъчните покрития възпират нашествениците да се вкопчат на повърхността. Растителната повърхност също има многобройни уста, подобни на уста, наречени стомати. Обикновено стомасите ритмично се отварят през деня и се затварят през нощта, процес, регулиран от циркадния часовник в очакване на промяна на светлината и влажността. Въпреки че този процес е важен за фотосинтезата и обмяната на вода, отварянето на стомаха може да се използва от някои патогени като портали за достъп до хранителни вещества и пространство вътре в растителната тъкан, а затварянето на стомаха ограничава инвазията на патогена.
Отвъд фронтовите физически бариери растенията са развили сложни системи за наблюдение, за да открият патогени и вредители като натрапници. Когато рецепторите на клетъчната повърхност разпознаят патоген, растението незабавно затваря стомасите си на мястото на инвазия. Нефункционалните циркадни часовници нарушават затварянето на стомаха, което води до по-тежко заболяване.
По-нататъшното разпознаване на патогени изпраща сигнали за тревога дълбоко в растителната тъкан, активирайки арсенал от защитни реакции, включително препрограмиране на генната експресия, производство на антимикробни съединения и повишаване на защитната сигнализация. Дори при липса на патогени много от тези реакции показват ниски, но ритмични промени, които се влияят от циркадния часовник. Когато пристигне истинска атака, ежедневната репетиция на системите за отбрана осигурява силна и съгласувана навременна защита. Растенията с неправилно подредени часовници се поддават на атаката.
Един отличен пример за това, че заводът се отбранява, идва от групата на Xinnian Dong в университета Duke. Hyaloperonospora arabidopsidis е патоген, който сутрин разпространява своите вирулентни спори и причинява заболяване в растенията Arabidopsis . Групата на Донг елегантно показа, че Arabidopsis очаква тази атака, като изразява набор от защитни гени в зората, който дава резистентност срещу патогена. Когато изследователите нарушиха циркадния часовник на Arabidopsis, той премахна тази сутрешна защита и направи растението по-податливо.
Растенията също разчитат на навременна защита за борба с насекомите. Например, лубените на зелето имат пикова активност на хранене преди здрач. Красивата работа на групата на Джанет Брам от университета в Райс показа, че Arabidopsis произвежда защитния сигнализиращ хормон жасмонова киселина с пик в обяд в очакване на тази атака. Когато насекомите действително удрят, циркадният часовник усилва тази защита на обед, произвеждайки повече жасмонова киселина, за да инхибира храненето на насекомите.
Дали часовниците танцуват по двойки?
Както се вижда от тези примери, патогените и вредителите имат свои собствени циркадни часовници и ги използват, за да определят най-доброто време да бъдат активни. Как тази способност се отразява на нахлуването им от домакини? Засега изследователите не са сигурни дали патогените и часовниците от вредители са координирани с тези на гостоприемника. Ако са, техният синхрон може да определи резултата от взаимодействията им.
Настоящите данни показват, че някои еукариотни микроби, като Hyaloperonospora arabidopsidis и Botrytis cinerea, са в състояние да манипулират циркадния часовник на Arabidopsis . Дори прокариотни патогени, като Pseudomonas syringae, въпреки липсата на каноничен централен осцилатор, могат да пречат на растителните часовници по различни начини.
При хора и мишки някои популации на микробиота на червата се колебаят ежедневно, в зависимост от циркадния часовник на гостоприемника. Интересно е, че чревната микробиота е в състояние да препрограмира часовника на хоста. Как се осъществява тази комуникация за транкингdom? Как може да повлияе на резултата от взаимодействието на гостоприемника и микробите? Изследванията в тази област представляват завладяващо и неизследвано ниво на динамиката на домакин-нашественик.
Добре навременните действия в растенията - като затварящите листа на дървото тамаринд, забелязани от Андростейн преди хилядолетия - в крайна сметка биха могли да ни помогнат да проектираме по-прецизни лекарства. (Oraphan_nan / Shutterstock.com) Часовникът като лечител и помощник
Способността за интегриране на времевия сигнал с развитието и реакциите на посегателства върху околната среда е еволюционна адаптация. Растенията са научили биолозите много за циркадните ритми и тяхната роля в модулирането на всичко - от развитието до отбраната.
Проучването на часовниците отвори възможност да се приложат тези знания към други системи, включително хора. Как можем да променим ежедневния цикъл на определени защитни характеристики, за да подобрим имунитета, без да причиняваме стрес в развитието? В кое време на деня сме най-податливи на определени патогени? Кои са най-инвазивните периоди на деня за различни патогени и вредители?
Отговорите на въпроси като тези ще ви помогнат да разгадаете взаимодействието гостоприемник-патоген / вредител, не само в растенията, но и при хората. В крайна сметка тези знания биха могли да допринесат за създаването на прецизни лекарства, които са пригодени да стимулират навременната защита на отделните хора за борба с различни патогени и вредители. В допълнение, нашето разбиране за устойчивост на болести по растенията ще подпомогне селскостопанския контрол върху патогени и вредители, като смекчи глобалното предизвикателство за загубата на култури.
Продължаващите изследвания продължават да разкриват как влиянието на циркадните ритми се простира толкова безгранично, колкото слънчевите лъчи.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Хуа Лу, доцент по биологични науки, Университета на Мериленд, окръг Балтимор
Линда Виратан, студентка по биохимия и молекулярна биология, Университет на Мериленд, окръг Балтимор
