La amurg, frunzele arborelui tamarind se închid, așteptând încă o zori. Androsthenes, un căpitan de navă care slujea sub Alexandru cel Mare, a făcut primul relat scris al acestor mișcări de frunze în secolul IV î.Hr.
A durat secole mai mult să descopăr că el descrie efectele ceasului circadian. Acest mecanism intern de detectare a timpului permite multor organisme vii să țină evidența timpului și să-și coordoneze comportamentele pe parcursul ciclurilor de 24 de ore. Urmează ciclurile obișnuite zi / noapte și sezoniere ale rotației zilnice a Pământului. Cercetările circadiene au avansat până în prezent că premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină din 2017 a fost acordat pentru lucrările inovatoare care au elucidat baza moleculară care stă la baza ritmurilor circadiene.
Biologii ca noi studiază ceasurile circadiene din plante pentru a înțelege modul în care acestea afectează sănătatea și bunăstarea vieții de pe Pământ. Pe măsură ce cercetătorii continuă să se dezlănțuiască mai mult despre modul în care funcționează aceste ceasuri - inclusiv modul în care influențează interacțiunile dintre gazde și agenții patogeni invazivi și dăunători - noi forme de medicament de precizie special programate ar putea fi la orizont.
Pacemaker-ul nostru ascuns
Organisme din toate cele trei domenii ale vieții posedă o uimitoare diversitate de ritmuri circadiene. Aparent simplă cianobacteria alternează activitatea fotosintetică între zi și noapte. Ciuperca Neurospora crassa produce spori în fiecare dimineață, chiar înainte de zori. Fluturii monarhi migratori folosesc o busolă delicată de soare în migrația lor anuală. Aproape toate aspectele activității umane sunt influențate de ceasul circadian - puteți vedea acest lucru cu ușurință în voi înșivă, dacă zburați prin zone orare sau vă angajați în lucru pe ture.
Forța motrice a ritmurilor circadiene este ceea ce oamenii de știință numesc oscilatorul central al ceasului circadian, o rețea elaborată de gene care activează și se oprește reciproc. Împreună, formează bucle complexe de feedback care calibrează precis timpul.
Deși genele individuale ale ceasului nu sunt întotdeauna aceleași pe domenii ale vieții, mecanismul de feedback al oscilatorului central este. Acest mecanism acționează ca un comutator pentru a sincroniza activitățile zilnice ale unui organism cu fluctuațiile de zi și de noapte și alte schimbări de mediu. Astfel de acte de echilibrare uimitoare reflectă abilitățile organismelor de a anticipa mediul în schimbare pe parcursul zilei.
Cronometrarea și sănătatea precisă
Un ceas circadian bine calibrat este esențial pentru creștere și fitness, motiv pentru care alinierea eronată a ceasului circadian cu indicii de mediu provoacă probleme de sănătate diverse și de anvergură. Unele boli umane, inclusiv diabetul, obezitatea, bolile cardiovasculare și unele tulburări psihiatrice, cum ar fi depresia și tulburarea bipolară, sunt probabil legate de ceasurile circadiene care nu sunt sincronizate cu mediul înconjurător.
După infecția cu o ciupercă, plantele cu un ceas circadian mutant (dreapta) au prezentat daune mult mai mari decât plantele normale (stânga). (Hua Lu, CC BY-ND) Evidența tot mai mare leagă ceasul circadian de sănătatea plantelor. În special, oamenii de știință din plante au arătat că un ceas circadian reglat în mod corespunzător este important pentru rezistența la boli a plantelor la tablele de agenți patogeni și dăunători. Deși plantele nu produc anticorpi sau nu utilizează celule imune specializate pentru a îndepărta invadatorii, unele aspecte ale sistemului lor imunitar sunt similare cu ale noastre. Datorită cât de ușor este să crești și să le manipulezi genetic, unele plante, precum Arabidopsis, servesc ca sisteme ideale pentru a investiga modul în care ceasul circadian influențează rezultatul bolilor la plantele odată infectate.
Interacțiuni plant-patogen în jurul ceasului
Plantele, fiind imobile, trebuie să-și aloce strategic energia și resursele limitate atunci când se confruntă cu agenți patogeni și dăunători. Au abilitatea sofisticată de a-și acorda timp apărarea, ceea ce le permite să anticipeze atacurile posibile înainte de a se produce și de a modula răspunsurile apărării la atacatorii reali.
Stomatele sunt pori mici pe suprafața plantei care se pot deschide și închide. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) Primul plan al apărării plantelor este la suprafață. Caracteristicile fizice precum trichomii, părul mic care se lipește, acoperă protejat o plantă și acoperirile de ceară determină invadatorii să se agațe de suprafață. Suprafața plantei are, de asemenea, numeroși pori asemănătoare gurii numiți stomata. În mod normal, stomatele se deschid ritmic în timpul zilei și se închid noaptea, proces reglementat de ceasul circadian în așteptarea schimbărilor de lumină și umiditate. În timp ce acest proces este important pentru fotosinteză și schimbul de apă, stomatele de deschidere pot fi utilizate de unii agenți patogeni ca portaluri pentru a accesa nutrienții și spațiul din țesutul vegetal și închiderea stomatelor restricționează invazia patogenului.
Dincolo de barierele fizice de prim rang, plantele au evoluat sisteme complexe de supraveghere pentru a detecta agenții patogeni și dăunătorii. Când receptorii de suprafață celulară recunosc un agent patogen, planta își închide imediat stomatele la locul invaziei. Ceasurile circadiene disfuncționale afectează închiderea stomatologică, ducând la o boală mai severă.
Recunoașterea suplimentară a patogenilor trimite semnale de alertă adânc în țesutul plantelor, activând un arsenal de răspunsuri de apărare, inclusiv reprogramarea expresiei genice, producerea de compuși antimicrobieni și îmbunătățirea semnalizării apărării. Chiar și în absența agenților patogeni, multe dintre aceste răspunsuri prezintă modificări scăzute, dar ritmice, care sunt influențate de ceasul circadian. Când un atac adevărat, repetiția zilnică a plantelor a sistemelor lor de apărare asigură o apărare în timp util puternică și concertată. Plantele cu ceasuri nealinizate cedează atacului.
Un exemplu excelent de plantare a timpului său de apărare provine de la grupul lui Xinnian Dong de la Universitatea Duke. Hyaloperonospora arabidopsidis este un agent patogen care diseminează sporii virulente dimineața și provoacă boli la plantele Arabidopsis . Grupul lui Dong a arătat elegant că Arabidopsis anticipează acest atac prin exprimarea unui set de gene de apărare în zori, care oferă rezistență împotriva agentului patogen. Când cercetătorii au întrerupt ceasul circadian Arabidopsis, acesta a desființat apărarea din această dimineață și a făcut planta mai susceptibilă.
Plantele se bazează, de asemenea, pe apărarea în timp util pentru combaterea insectelor. De exemplu, buclele de varză au activitate maximă de hrănire înainte de amurg. Lucrarea frumoasă a grupului Janet Braam de la Universitatea Rice a arătat că Arabidopsis produce hormonul semnal de apărare a acidului iasmonic cu un vârf la prânz, în așteptarea acestui atac. Când insectele se lovesc efectiv, ceasul circadian sporește această apărare la prânz, producând mai mult acid iasmonic pentru a inhiba hrănirea insectelor.
Ceasurile dansează în perechi?
După cum se vede din aceste exemple, agenții patogeni și dăunătorii au propriile lor ceasuri circadiene și le folosesc pentru a determina cel mai bun moment pentru a fi activ. Cum afectează această abilitate invaziile lor de gazde? Până în prezent, cercetătorii nu sunt siguri dacă patogenul și ceasurile dăunătorului sunt coordonate cu cele ale gazdei. Dacă sunt, modul în care sunt sincronizate ar putea determina rezultatul interacțiunilor lor.
Dovezile actuale indică faptul că unii microbi eucarioti, precum Hyaloperonospora arabidopsidis și Botrytis cinerea, sunt capabili să manipuleze ceasul circadian Arabidopsis . Chiar și agenții patogeni procarioti, precum Pseudomonas syringae, în ciuda lipsei unui oscilator central canonic, pot interfera cu ceasurile plantelor în diverse moduri.
La om și șoareci, unele populații de microbiote intestinale oscilează zilnic, în funcție de ceasul circadian gazdă. Interesant este că microbiota intestinală este capabilă să reprogrameze ceasul gazdă. Cum se produce această comunicare de tranzacționare? Cum poate influența rezultatul interacțiunilor gazdă și microb? Cercetările în acest domeniu reprezintă un nivel fascinant și neexplorat de dinamică gazdă-invadator.
Acțiuni bine cronometrate în plante - cum ar fi frunzele de închidere ale arborelui de tamarind, observate de Androsthenes cu milenii în urmă - ne-ar putea ajuta în cele din urmă să proiectăm medicamente mai precise. (Oraphan_nan / Shutterstock.com) Ceasul ca vindecător și ajutor
Capacitatea de a integra indicii de timp cu dezvoltarea și răspunsurile la atacurile de mediu este o adaptare evolutivă. Plantele au învățat biologii mult despre ritmurile circadiene și rolul lor în modularea tuturor, de la dezvoltare la apărare.
Cercetarea cu ceas a deschis oportunitatea de a aplica aceste cunoștințe și în alte sisteme, inclusiv la oameni. Cum putem modifica ciclul zilnic al anumitor caracteristici de apărare pentru a spori imunitatea fără a provoca stres de dezvoltare? Ce ore ale zilei suntem cei mai susceptibili la anumiți agenți patogeni? Care sunt cele mai invazive perioade din zi pentru diverși agenți patogeni și dăunători?
Răspunsurile la astfel de întrebări vor ajuta la dezlegarea interacțiunilor gazdă-patogen / dăunător, nu doar la plante, ci și la oameni. În cele din urmă, aceste cunoștințe ar putea contribui la proiectarea medicamentelor de precizie care sunt adaptate pentru a stimula apărarea la timp a oamenilor pentru a lupta împotriva diferiților agenți patogeni și dăunători. În plus, înțelegerea noastră asupra rezistenței la boli ale plantelor va ajuta la controlul agricol al agenților patogeni și dăunători, atenuând provocarea globală a pierderilor de culturi.
Cercetările în curs continuă să dezvăluie modul în care influența ritmurilor circadiene se extinde la fel de nelimitat ca razele soarelui.
Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation.
Hua Lu, profesor asociat de științe biologice, Universitatea din Maryland, județul Baltimore
Linda Wiratan, BS Student de Biochimie și Biologie Moleculară, Universitatea din Maryland, județul Baltimore
