I skumringen lukker bladene på tamarindtræet og venter på endnu en daggry. Androsthenes, en skibsfører, der tjente under Alexander den Store, gjorde den første skriftlige beretning om disse bladbevægelser i det fjerde århundrede f.Kr.
Det tog århundreder længere tid at opdage, at han beskrev virkningerne af det døgnagtige ur. Denne interne tidsfølende mekanisme gør det muligt for mange levende organismer at holde styr på tiden og koordinere deres opførsel gennem 24-timers cyklusser. Det følger den regelmæssige dag / nat og sæsonbetingede cyklusser med Jordens daglige rotation. Døgnforskning er fremskreden så langt, at Nobelprisen i 2017 i fysiologi eller medicin blev tildelt for det banebrydende arbejde, der belyste det molekylære grundlag, der ligger til grund for døgnrytmer.
Biologer som os studerer døgnurene i planter for at få indsigt i, hvordan de påvirker sundheden og velbefindelsen i alt liv på Jorden. Efterhånden som forskere fortsætter med at løsne mere om, hvordan disse ure fungerer - inklusive hvordan de påvirker interaktioner mellem værter og deres invaderende patogener og skadedyr, kunne nye former for specielt tidsindstillet præcisionsmedicin komme i horisonten.
Vores skjulte pacemaker
Organismer fra alle tre livsområder besidder en forbløffende mangfoldighed af døgnrytmer. Tilsyneladende enkle cyanobakterier skifter fotosyntetisk aktivitet mellem dag og nat. Svampen Neurospora crassa producerer sporer hver morgen lige før daggry. Migrerende monark sommerfugle bruger en delikat solkompass i deres årlige migration. Næsten ethvert aspekt af menneskelig aktivitet er påvirket af døgnuret - du kan let se dette i dig selv, hvis du flyver over tidszoner eller deltager i skiftarbejde.
Den drivende kraft bag døgnrytmer er, hvad forskere kalder døgnurets centrale oscillator, et omfattende netværk af gener, der tænder og slukker for hverandres aktivitet. Sammen danner de komplekse feedback-løkker, der nøjagtigt kalibrerer tiden.
Selvom individuelle urgener ikke altid er ens på tværs af livsområder, er feedbackmekanismen for den centrale oscillator. Denne mekanisme fungerer som en switch til at synkronisere en organisms daglige aktiviteter med dag- og natudsving og andre miljøændringer. Sådanne fantastiske balanceringshandlinger afspejler organismenes evner til at foregribe skiftende miljø hele dagen.
Præcis timekeeping og sundhed
Et godt kalibreret døgnur er kritisk for vækst og kondition, og det er grunden til, at forkert justering af døgnuret med miljømæssige signaler forårsager forskellige og vidtrækkende sundhedsmæssige problemer. Nogle menneskelige sygdomme, herunder diabetes, fedme, hjerte-kar-sygdomme og nogle psykiatriske lidelser såsom depression og bipolar lidelse, er sandsynligvis forbundet med, at døgnur er ikke synkroniseret med miljøet.
Efter infektion med en svamp viste planter med et mutant døgnur (højre) meget mere skade end de normale planter (til venstre). (Hua Lu, CC BY-ND) Stigende bevis forbinder også døgnuret med plantesundhed. Planteforskere har især vist, at et korrekt afstemt døgnur er vigtigt for plantesygdommens modstand mod matriser af patogener og skadedyr. Selvom planter ikke producerer antistoffer eller bruger specialiserede immunceller til at afværge indtrængende, ligner nogle aspekter af deres immunsystem vores. På grund af hvor let det er at dyrke og genetisk manipulere dem, fungerer nogle planter, som Arabidopsis, som ideelle systemer til at undersøge, hvordan det døgnagtige ur påvirker resultatet af sygdomme i planter, når de først er inficeret.
Plant-patogen interaktioner døgnet rundt
Planter, der er immobile, skal strategisk allokere deres begrænsede energi og ressourcer, når de står over for patogener og skadedyr. De har den sofistikerede evne til at sætte gang i deres forsvar, som giver dem mulighed for at forudse sandsynlige angreb, før de forekommer, og modulere forsvarssvar til rigtige angribere.
Tomater er små porer på plantens overflade, der kan åbnes og lukkes. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) Fronten inden for planteforsvar er på overfladen. Fysiske egenskaber som trichomer, små hår, der sticker ud, dækker beskyttende en plante og voksbelægninger forhindrer indtrængende fra at klæbe sig fast på overfladen. Planteoverfladen har også adskillige mundlignende porer kaldet stomata. Normalt åbner stomata rytmisk om dagen og lukker om natten, en proces reguleret af det døgnagtige ur i forventning om ændringer i lys og fugtighed. Mens denne proces er vigtig for fotosyntesen og vandudveksling, kan åbne stomata bruges af nogle patogener som portaler for at få adgang til næringsstoffer og plads inde i plantevævet og lukning af stomata begrænser patogeninvasion.
Ud over fysiske barrierer i frontlinjen har planter udviklet komplekse overvågningssystemer til at opdage patogener og skadedyr som indtrængende. Når celleoverfladeceptorer genkender et patogen, lukker planten straks sin stomata på invasionstedet. Dysfunktionelle døgn ure forstyrrer stomatal lukning, hvilket resulterer i mere alvorlig sygdom.
Yderligere patogengenkendelse sender alarmsignaler dybt ind i plantevævet, aktiverer et arsenal af forsvarsresponser, herunder omprogrammering af genekspression, produktion af antimikrobielle forbindelser og forbedring af forsvarssignalering. Selv i mangel af patogener viser mange af disse svar lave, men rytmiske ændringer, der er påvirket af det døgnagtige ur. Når et rigtigt angreb ankommer, sikrer planternes daglige repetition af deres forsvarssystemer et stærkt og samordnet rettidigt forsvar. Planter med forkert tilpassede ure bukker under for angrebet.
Et fremragende eksempel på et anlæg, der timinger dets forsvar, kommer fra Xinnian Dongs gruppe ved Duke University. Hyaloperonospora arabidopsidis er et patogen, der spreder sine virulente sporer om morgenen og forårsager sygdom i Arabidopsis- planter. Dongs gruppe viste elegant, at Arabidopsis forudser dette angreb ved at udtrykke et sæt forsvarsgener ved daggry, der giver modstand mod patogenet. Da forskerne afbrød Arabidopsis døgnur, afskaffede det forsvaret i morges og gjorde anlægget mere modtageligt.
Planter er også afhængige af rettidigt forsvar for at bekæmpe insekter. F.eks. Har kålsløjfer topfodringsaktivitet før skumring. Smukt arbejde af Janet Braams gruppe ved Rice University viste, at Arabidopsis producerer forsvarssignalhormonet jasmonsyre med en top ved middagstid i påvente af dette angreb. Når insekterne faktisk strejker, øger døgnuret dette forsvar på middagstid og producerer mere jasmonsyre for at hæmme insektfodring.
Danser ure parvis?
Som det ses af disse eksempler, har patogener og skadedyr deres egne døgnur og bruger dem til at bestemme det bedste tidspunkt at være aktiv. Hvordan påvirker denne evne deres invasioner af værter? Indtil videre er forskere ikke sikre på, om patogen- og skadedyrur er koordineret med værten. Hvis de er, kan de, hvordan de er synkroniseret, bestemme resultatet af deres interaktioner.
Nuværende bevis tyder på, at nogle eukaryote mikrober, såsom Hyaloperonospora arabidopsidis og Botrytis cinerea, er i stand til at manipulere Arabidopsis- døgnklokken. Selv prokaryote patogener, som Pseudomonas syringae, på trods af mangel på en kanonisk central oscillator, kan forstyrre planteur på forskellige måder.
Hos mennesker og mus oscillerer nogle populationer af tarmmikrobiota dagligt, afhængigt af værtens døgnur. Interessant nok er tarmmikrobiota i stand til at omprogrammere værtsuret. Hvordan forekommer denne transkingdom kommunikation? Hvordan kan det påvirke resultatet af værts- og mikrobeinteraktioner? Forskning på dette område repræsenterer et fascinerende og uudforsket niveau af vært-invaderende dynamik.
Veludviklede handlinger i planter - som tamarindtræets lukkeblade, der blev bemærket af Androsthenes for årtusinder siden - kunne til sidst hjælpe os med at designe mere præcise lægemidler. (Oraphan_nan / Shutterstock.com) Uret som healer og hjælper
Evnen til at integrere tidssignaler med udvikling og reaktioner på miljømæssige angreb er en evolutionær tilpasning. Planter har lært biologer meget om døgnrytmer og deres rolle i at modulere alt fra udvikling til forsvar.
Urforskning har åbnet en mulighed for at anvende denne viden til andre systemer, herunder mennesker. Hvordan kan vi ændre den daglige cykling af visse forsvarsfunktioner for at forbedre immuniteten uden at forårsage udviklingsstress? Hvilke tidspunkter på dagen er vi mest følsomme over for visse patogener? Hvad er de mest invasive tider på dagen for forskellige patogener og skadedyr?
Svar på spørgsmål som disse vil hjælpe med at afdække interaktioner mellem vært og patogen / skadedyr, ikke kun i planter, men også hos mennesker. I sidste ende kunne denne viden bidrage til design af præcisionsmedicin, der er skræddersyet til at øge rettidig forsvar hos individuelle mennesker til at bekæmpe forskellige patogener og skadedyr. Derudover vil vores forståelse af plantesygdomsresistens hjælpe landbrugskontrol med patogener og skadedyr og mindske den globale udfordring med afgrødetab.
Løbende forskning afslører fortsat, hvordan indflydelsen fra døgnrytmer strækker sig så ubegrænset som solens stråler.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Hua Lu, lektor i biologiske videnskaber, University of Maryland, Baltimore County
Linda Wiratan, BS studerende i biokemi og molekylærbiologi, University of Maryland, Baltimore County
