U sumrak se lišće tamarindskog stabla zatvori i čekaju novu zoru. Androsthenes, brodski kapetan koji je služio pod Aleksandrom Velikim, napravio je prvi pisani prikaz tih kretanja listova u četvrtom stoljeću prije Krista
Bilo je potrebno više stoljeća da otkrijemo kako opisuje učinke cirkadijanskog sata. Ovaj unutarnji mehanizam za otkrivanje vremena omogućava mnogim živim organizmima da prate vrijeme i koordiniraju svoje ponašanje tijekom 24-satnog ciklusa. Slijedi redovni dan / noć i sezonski ciklus dnevne rotacije Zemlje. Cirkadijska su istraživanja toliko napredovala da je Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu za 2017. dodijeljena za revolucionarni rad koji je razjasnio molekularnu osnovu koja se temelji na cirkadijanskim ritmovima.
Biolozi poput nas proučavaju cirkadijanske satove u biljkama kako bi uvidjeli kako utječu na zdravlje i dobrobit cijelog života na Zemlji. Dok istraživači i dalje raspravljaju o tome kako ti satovi djeluju - uključujući i kako utječu na interakciju između domaćina i njihovih napadačkih patogena i štetočina - novi oblici posebno temeljene precizne medicine mogli bi se naći na horizontu.
Naš skriveni pejsmejker
Organizmi iz sva tri područja života posjeduju zadivljujuću raznolikost cirkadijanskih ritmova. Naizgled jednostavne Cijanobakterije izmjenjuju fotosintetsku aktivnost između dana i noći. Gljiva Neurospora crassa proizvodi spore svako jutro neposredno prije zore. Leteći monarhi leptiri koriste nježni sunčani kompas u svojoj godišnjoj migraciji. Gotovo na svaki aspekt ljudske aktivnosti utječe cirkadijski sat - to možete lako vidjeti u sebi ako letite preko vremenskih zona ili se bavite smjenom.
Pokretačka snaga cirkadijanskih ritmova je ono što znanstvenici nazivaju središnjim oscilatorom cirkadijanskog sata, razrađenom mrežom gena koji međusobno uključuju i isključuju aktivnosti. Zajedno tvore složene petlje za povratne informacije koje precizno kalibriraju vrijeme.
Iako pojedinačni geni sata nisu uvijek isti u svim područjima života, povratni mehanizam središnjeg oscilatora je. Ovaj mehanizam djeluje kao prekidač za usklađivanje svakodnevnih aktivnosti organizma s fluktuacijama dana i noći i drugim promjenama okoliša. Takvi nevjerojatni činovi uravnoteženja odražavaju sposobnost organizama da predviđaju promjenu okoliša tokom dana.
Precizno određivanje vremena i zdravlja
Dobro kalibrirani cirkadijanski sat od presudne je važnosti za rast i kondiciju, zbog čega neusklađivanje cirkadijanskog sata s ekološkim znakovima izaziva raznolike i dalekosežne zdravstvene probleme. Neke ljudske bolesti, uključujući dijabetes, pretilost, kardiovaskularne bolesti i neke psihijatrijske poremećaje poput depresije i bipolarnog poremećaja, vjerojatno su povezane s cirkadijanskim satovima izvan sinkronizacije s okolinom.
Nakon infekcije gljivicom, biljke s mutiranim cirkadijanskim satom (desno) pokazale su mnogo više štete od normalnih biljaka (lijevo). (Hua Lu, CC BY-ND) Sve veći dokaz također povezuje cirkadijanski sat sa zdravljem biljaka. Konkretno, znanstvenici biljke pokazali su da je pravilno podešen cirkadijanski sat važan za otpornost biljnih bolesti na niz patogena i štetočina. Iako biljke ne proizvode protutijela ili koriste specijalizirane imunološke stanice za obranu napadača, neki su aspekti njihovog imunološkog sustava slični našem. Zbog toga što je lako uzgajati i genetski manipulirati njima, neke biljke, poput Arabidopsis, služe kao idealni sustavi za istraživanje kako cirkadijanski sat utječe na ishod bolesti u biljkama koje su jednom bile zaražene.
Interakcije biljke i patogena svakodnevno
Biljke, koje su nepokretne, moraju strateški rasporediti svoju ograničenu energiju i resurse kad su suočene sa patogenima i štetočinama. Oni imaju sofisticiranu sposobnost vremenske obrane, što im omogućuje predviđanje vjerojatnih napada prije nego što se dese i moduliraju obrambene reakcije stvarnih napadača.
Stomati su male pore na površini biljke koje se mogu otvoriti i zatvoriti. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) Prednji plan obrane biljaka je na površini. Fizičke karakteristike poput trihoma, malih dlačica koje se strše, zaštitno prekrivaju biljku i prevlake od voska sprečavaju uljeze da se prilijepe na površinu. Površina biljke također ima brojne pore poput usta stomata. Uobičajeno se stomake ritmički otvaraju danju i zatvaraju noću, proces koji regulira cirkadijanski sat u iščekivanju promjene svjetlosti i vlage. Iako je ovaj proces važan za fotosintezu i izmjenu vode, neki patogeni mogu koristiti otvorene stomake kao portale za pristup hranjivim tvarima i prostoru unutar biljnog tkiva, a zatvaranje stomaka ograničava invaziju patogena.
Preko frontalnih barijera, biljke su razvile složene sustave nadzora kako bi otkrile patogene i štetočine kao uljeze. Kad receptori stanične površine prepoznaju patogen, biljka odmah zatvara svoje stomake na mjestu invazije. Nefunkcionalni cirkadijanski satovi narušavaju stomatalno zatvaranje, što rezultira težom bolešću.
Daljnje prepoznavanje patogena šalje signale upozorenja duboko u biljno tkivo, aktivirajući arsenal obrambenih odgovora, uključujući reprogramiranje ekspresije gena, proizvodnju antimikrobnih spojeva i pojačavanje obrambene signalizacije. Čak i u nedostatku patogena, mnogi od ovih odgovora pokazuju niske, ali ritmičke promjene na koje utječe cirkadijanski sat. Kad dođe pravi napad, svakodnevna proba postrojenja postrojenja osigurava snažnu i usklađenu pravodobnu obranu. Biljke s neprilagođenim satovima podležu napadu.
Jedan izvrstan primjer postrojenja koji se temelji na obrani potječe iz grupe Xinnian Dong na Sveučilištu Duke. Hyaloperonospora arabidopsidis je patogen koji ujutro širi svoje virusne spore i uzrokuje bolest u biljkama Arabidopsis . Dong-ova grupa elegantno je pokazala da Arabidopsis predviđa ovaj napad izražavajući skup obrambnih gena u zoru koji pruža otpor protiv patogena. Kada su istraživači poremetili cirkadijanski sat Arabidopsis, ukinula je jutros odbranu i učinila biljku osjetljivijom.
Biljke se također oslanjaju na pravodobnu obranu u borbi protiv insekata. Na primjer, petlje kupusa imaju vršnu aktivnost hranjenja prije sumraka. Prekrasan rad grupe Janet Braam na Sveučilištu Rice pokazao je da Arabidopsis proizvodi obrambeni signalni hormon jasmonske kiseline s vrhom u podne u očekivanju ovog napada. Kad insekti zapravo udaraju, cirkadijanski sat pojačava obranu podneva, proizvodeći više jasmonske kiseline da inhibira hranjenje insekata.
Plešu li satovi u paru?
Kao što se vidi iz ovih primjera, patogeni i štetočine imaju svoje cirkadijanske satove i pomoću njih utvrđuju najbolje vrijeme za akciju. Kako ta sposobnost utječe na njihovu invaziju domaćina? Istraživači zasad nisu sigurni jesu li satovi patogena i štetočina usklađeni s domaćinom. Ako jesu, njihova bi sinkronizacija mogla utvrditi ishod njihovih interakcija.
Trenutni dokazi govore da su neki eukariotski mikrobi, poput Hyaloperonospora arabidopsidis i Botrytis cinerea, sposobni manipulirati cirkadijanskim satom Arabidopsis . Čak i prokariotski patogeni, poput Pseudomonas syringae, usprkos nedostatku kanonskog centralnog oscilatora, mogu ometati biljne satove na različite načine.
Kod ljudi i miševa neke populacije mikrobiota crijeva svakodnevno osciliraju, ovisno o cirkadijanskom satu domaćina. Zanimljivo je da su mikrobiote crijeva sposobne reprogramirati sat domaćina. Kako se događa ta transkingdom komunikacija? Kako može utjecati na ishod interakcija domaćina i mikroba? Istraživanja u ovom području predstavljaju fascinantnu i neistražen nivo dinamike domaćina i osvajača.
Dobro vremenske akcije u biljkama - poput zaključnog lišća tamarindskog stabla primjećene Androsthenesom prije tisućljeća - mogle bi nam na kraju pomoći u dizajniranju preciznijih lijekova. (Oraphan_nan / Shutterstock.com) Sat kao iscjelitelj i pomagač
Sposobnost integriranja vremenskih znakova u razvoj i reagiranje na napade na okoliš evolucijska je prilagodba. Biljke su biologe naučile mnogo o cirkadijanskim ritmovima i njihovoj ulozi u modulaciji svega, od razvoja do obrane.
Istraživanje satova otvorilo je priliku za primjenu ovog znanja na drugim sustavima, uključujući ljude. Kako možemo izmijeniti svakodnevno kretanje određenih odbrambenih značajki da bismo poboljšali imunitet bez izazivanja stresnog razvoja? U koje doba dana smo najosjetljiviji određenim patogenima? Koje su najinvazivnije doba dana za razne patogene i štetočine?
Odgovori na ovakva pitanja pomoći će u otkrivanju interakcije domaćin-patogen / štetočina, ne samo u biljkama, već i kod ljudi. Konačno, ta bi znanja mogla pridonijeti dizajniranju preciznih lijekova koji su prilagođeni kako bi se potaknula pravovremena obrana pojedinih ljudi u borbi protiv raznih patogena i štetočina. Pored toga, naše razumijevanje otpornosti na biljne bolesti pomoći će poljoprivrednoj kontroli patogena i štetočina, ublažavajući globalni izazov gubitka usjeva.
Istraživanja koja su u tijeku nastavljaju otkrivati kako se utjecaj cirkadijanskih ritmova širi jednako neograničeno kao sunčeve zrake.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
Hua Lu, izvanredna profesorica bioloških znanosti, Sveučilište Maryland, okrug Baltimore
Linda Wiratan, studentica biokemije i molekularne biologije, sveučilište Maryland, okrug Baltimore
