Alkonyatkor a tamarind fa levelei bezáródnak, és újabb hajnalra várnak. Androsthenes, a Nagy Sándor alatt szolgálatot teljesítő hajókapitány az első írásos beszámolót tett e levélmozgásokról Kr. E. Negyedik században.
Száz évszázadokkal tovább tartott, amíg felfedezte, hogy leírja a cirkadián óra hatásait. Ez a belső időérzékelő mechanizmus sok élő szervezet számára lehetővé teszi az idő nyomon követését és viselkedésük összehangolását 24 órás ciklusok mentén. Ez követi a Föld napi forgatásának rendszeres napi / éjszakai és szezonális ciklusait. A cirkadiánus kutatás eddig haladt előre, hogy a 2017. évi Nobel-díjat fiziológiában vagy orvostudományban odaítélték az úttörő munkáért, amely tisztázta a cirkadián ritmus alapjául szolgáló molekuláris alapot.
A mi biológusok, mint mi, a növények cirkadián óráit tanulmányozzák, hogy ezek miként befolyásolják a Föld egész életének egészségét és jólétét. Mivel a kutatók továbbra is kibomlik ezen órák működéséről - ideértve azt is, hogyan befolyásolják a gazdaszervezetek és a betörő kórokozók és kártevők közötti kölcsönhatásokat -, a kifejezetten időzített precíziós orvoslás új formái lehetnek a láthatáron.
Rejtett pacemakerünk
Az élet mindhárom területének szervezetei elképesztő sokféleséget mutatnak a cirkadián ritmusok között. Látszólag egyszerű cianobaktériumok váltakoznak nappali és éjszakai fotoszintézis aktivitásra. A Neurospora crassa gomba spóra termel minden reggel hajnal előtt. A vándorló uralkodó pillangók finom napsütéses iránytűt használnak éves vándorlásuk során. Az emberi tevékenység szinte minden szempontját befolyásolja a cirkadián óra - ezt könnyen megfigyelheti önmagában, ha repül az időzónákon, vagy műszakban dolgozik.
A cirkadián ritmusok mozgatórugója az, amit a tudósok a cirkadián óra központi oszcillátorának neveznek - bonyolult gének hálózatát, amelyek be- és kikapcsolják egymás tevékenységét. Együtt összetett visszajelzési hurkokat képeznek, amelyek pontosan kalibrálják az időt.
Bár az egyes óragének az élet területein nem mindig azonosak, a központi oszcillátor visszacsatolási mechanizmusa az. Ez a mechanizmus váltásként szolgál a szervezet napi tevékenységeinek szinkronizálására a nappali és az éjszakai ingadozásokkal és más környezeti változásokkal. Az ilyen csodálatos kiegyensúlyozó cselekedetek tükrözik az organizmusok azon képességét, hogy a nap folyamán előre jelezzék a változó környezetet.
Pontos időmérés és egészség
A jól kalibrált cirkadián óra kritikus jelentőségű a növekedés és a fitnesz szempontjából, ezért a cirkadián órának a környezeti útmutatásokkal való eltérése sokféle és messzemenő egészségügyi problémát okoz. Egyes emberi betegségek, köztük a cukorbetegség, elhízás, szív- és érrendszeri betegségek, valamint egyes pszichiátriai rendellenességek, mint például a depresszió és a bipoláris zavar, valószínűleg azzal kapcsolatosak, hogy a cirkadián órák nincsenek összhangban a környezettel.
Gombafertőzés után a mutáns cirkadián órával rendelkező növények (jobbra) sokkal nagyobb károkat mutattak, mint a normál növények (balra). (Hua Lu, CC BY-ND) A növekvő bizonyítékok összekapcsolják a cirkadián órát a növény-egészséggel. A növénytudósok kimutatták különösen, hogy a megfelelően hangolt cirkadián óra fontos a növénybetegségek kórokozók és kártevők tömbjeivel szembeni rezisztenciája szempontjából. Noha a növények nem termelnek ellenanyagokat, és nem használnak speciális immunsejteket a betolakodók elkerülésére, immunrendszerük egyes szempontjai hasonlóak a miénkhez. Mivel könnyű növekedni és genetikailag manipulálni őket, egyes növények, mint például az Arabidopsis, ideális rendszerként szolgálnak annak vizsgálatához, hogy a cirkadián óra miként befolyásolja a fertőzött növények betegségeinek kimenetelét.
Növény-patogén kölcsönhatások éjjel-nappal
A növények mozghatatlanoknak stratégiailag el kell osztaniuk korlátozott energiájukat és forrásaikat, amikor kórokozókkal és kártevőkkel szembesülnek. Kifinomult képességük van a védelem időzítésére, amely lehetővé teszi számukra a valószínű támadások előrejelzését, mielőtt azok megtörténnének, és modulálhatják a védelmi válaszokat az igazi támadókra.
A sztóma kis pórusok a növény felületén, amelyek kinyílhatnak és bezáródhatnak. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) A növényvédelem élvonalában a felszín található. Az olyan fizikai tulajdonságok, mint a trichomok, a kis szőrszálak, amelyek kihúzódnak, védik a növényt, és a viaszbevonatok megakadályozzák a támadók betapadását a felszínre. A növény felületén számos szájszerű pórus van, úgynevezett sztóma. Általában a sztóma ritmikusan nyílik napközben és éjszaka bezáródik, ezt a folyamatot a cirkadián óra szabályozza, a fény és a páratartalom változásainak előrejelzésekor. Noha ez a folyamat fontos a fotoszintézishez és a vízcseréhez, egyes kórokozók portálokként használhatják a nyitott sztómát portákként a tápanyagokhoz és a növényi szövet belsejéhez való hozzáféréshez, a sztóma bezárása pedig korlátozza a patogének invázióját.
A fizikai akadályokon túl a növények komplex megfigyelő rendszereket fejlesztettek ki a kórokozók és a kártevők betolakodókként történő felismerésére. Amikor a sejtfelszíni receptorok felismerik a kórokozót, a növény azonnal bezárja sztómáját az invázió helyén. A diszfunkcionális cirkadián órák rontják a sztóma bezáródását, súlyosabb betegséget okozva.
A további kórokozó felismerés riasztási jeleket továbbít a növényi szövetbe, aktiválva a védelmi válaszok arzenálját, ideértve a gén expressziójának átprogramozását, az antimikrobiális vegyületek előállítását és a védelmi jelzés fokozását. Még a kórokozók hiányában is sok ilyen válasz alacsony, de ritmikus változásokat mutat, amelyeket a cirkadián óra befolyásol. Amikor valódi támadás érkezik, a növények védelmi rendszerük napi próbája biztosítja az erős és összehangolt időbeni védelmet. A rosszul beállított órákkal rendelkező növények megbuknak a támadáshoz.
A növény védelmének kiváló példája a Xinnian Dong Duke Egyetem csoportjából származik. A Hyaloperonospora arabidopsidis olyan patogén, amely reggel terjeszti virulens spóráit és betegséget okoz az Arabidopsis növényekben. Dong-csoport elegánsan megmutatta, hogy az Arabidopsis hajnalban előre látja ezt a támadást, amikor hajnalban védőgének sorozatát fejezi ki, amely ellenállást biztosít a kórokozóval szemben. Amikor a kutatók megszakították az Arabidopsis cirkadián óráját, ez megszüntette a ma reggeli védekezést és a növény érzékenyebbé tette.
A rovarok leküzdésére a növények időben történő védekezésre is támaszkodnak. Például a káposztahurkoknak alkonyatkor a legnagyobb etetési aktivitásuk van. Janet Braam csoportjának a Rice Egyetemen végzett gyönyörű munkája azt mutatta, hogy az Arabidopsis a védelmi jelzőhormon jázmonsavat termeli déli csúcspontban e támadás előtt. Amikor a rovarok ténylegesen sztrájkolnak, a cirkadián óra fokozza ezt a déli védelmet, és több jázmonsavat termel, hogy megakadályozza a rovarok táplálkozását.
Az órák párban táncolnak?
Amint ezekből a példákból kitűnik, a kórokozóknak és a kártevőknek megvannak a saját cirkadián óráik, és ezeket használják az aktiváláshoz szükséges legjobb idő meghatározására. Hogyan befolyásolja ez a képesség a gazdaszervezetek invázióját? A kutatók eddig nem voltak biztosak abban, hogy a kórokozó és a kártevő órái összehangolódnak-e a gazdaszervezettel. Ha vannak, akkor az, hogy miként vannak szinkronban, meghatározzák az interakciók kimenetelét.
A jelenlegi bizonyítékok azt mutatják, hogy egyes eukarióta mikrobák, például a Hyaloperonospora arabidopsidis és a Botrytis cinerea képesek manipulálni az Arabidopsis cirkadián óráját. Még a prokarióta patogének, mint például a Pseudomonas syringae, annak ellenére, hogy nincs kanonikus központi oszcillátora, különféle módon zavarhatják a növényi órákat.
Emberekben és egerekben a bél mikrobiota néhány populációja oszlopzik naponta, a gazda cirkadián órájától függően. Érdekes módon a bél mikrobiota képes a gazdaóra átprogramozására. Hogyan történik ez a transzkingdom kommunikáció? Hogyan befolyásolhatja a gazdaszervezet és a mikroba kölcsönhatásainak eredményét? Az ezen a területen végzett kutatások lenyűgöző és még fel nem fedezett szintjét képviselik a befogadó-betolakodók dinamikájában.
A növényekben megtervezett időben elvégzett tevékenységek - mint például a tamarindfa záró levelei, amelyeket az Androsthenes évezredekkel ezelőtt észleltek - végül segíthetne a pontosabb gyógyszerek tervezésében. (Oraphan_nan / Shutterstock.com) Az óra gyógyítóként és segítőként
Az a képesség, hogy az időjeleket integrálják a fejlesztéssel és a környezeti támadásokra adott válaszokkal, evolúciós adaptáció. A növények sokat tanultak a biológusoknak a cirkadián ritmusokról és szerepükről, amellyel mindent modulálnak a fejlesztéstől a védelemig.
Az órás kutatás lehetőséget adott arra, hogy ezeket az ismereteket más rendszerekre is alkalmazzák, beleértve az embereket is. Hogyan módosíthatjuk bizonyos védelmi funkciók napi ciklusát az immunitás fokozása érdekében anélkül, hogy fejlődési stresszt okozna? Mely napszakban vagyunk a leginkább érzékenyek bizonyos kórokozókra? Melyek a leginkább invazív napszakok a különféle kórokozók és kártevők számára?
Az ilyen kérdésekre adott válaszok segítenek a gazda-kórokozó / kártevő kölcsönhatások kibontásában, nem csak a növényekben, hanem az emberekben is. Végső soron ez az ismeret hozzájárulhat olyan precíziós gyógyszerek tervezéséhez, amelyeket úgy alakítottak ki, hogy az egyes emberek időben megkönnyítsék a különböző kórokozók és kártevők elleni küzdelmet. Ezenkívül a növénybetegségekkel szembeni rezisztencia megértése elősegíti a kórokozók és kártevők mezőgazdasági ellenőrzését, enyhítve a növénykiesés globális kihívását.
A folyamatban lévő kutatások továbbra is azt mutatják, hogy a cirkadián ritmusok hatása milyen határtalanul kiterjed, mint a nap sugarai.
Ezt a cikket eredetileg a The Conversation kiadta.
Hua Lu, biológiai tudományok egyetemi docens, Marylandi Egyetem, Baltimore megye
Linda Wiratan, BS biokémiai és molekuláris biológiai hallgató, Marylandi Egyetem, Baltimore megye
