Hämärässä tamarindipuun lehdet sulkeutuvat odottaen uutta valkeutta. Aleksanteri Suuren alla toiminut aluskapteeni Androsthenes piti ensimmäisen kirjallisen kertomuksen näistä lehdenliikkeistä viimeisellä vuosisadalla eKr.
Kesti vuosisatoja kauemmin havaita, että hän kuvaili vuorokausipäivän vaikutuksia. Tämä sisäinen aika-havaitsemismekanismi antaa monille eläville organismeille mahdollisuuden seurata aikaa ja koordinoida käyttäytymistään 24 tunnin jaksoissa. Se seuraa maapallon päivittäisen pyörimisnopeuden säännöllistä päivä / yötä ja vuodenaikojen jaksoa. Circadian-tutkimus on edennyt niin pitkälle, että vuoden 2017 fysiologian tai lääketieteen Nobel-palkinto myönnettiin uraauurtavasta työstä, joka selvitti vuorokausirytmien taustalla olevan molekyylin perustan.
Meidän kaltaiset biologit tutkivat kasvien vuorokausipäivän kelloja saadaksesi tietoa siitä, miten ne vaikuttavat koko maan elämän terveyteen ja hyvinvointiin. Tutkijoiden tutkiessaan entistä enemmän näiden kellojen toimintaa - mukaan lukien miten ne vaikuttavat isäntien ja tunkeutuvien taudinaiheuttajien ja tuholaisten väliseen vuorovaikutukseen - erityisen ajoitetun tarkkuuslääketieteen uudet muodot saattavat olla näkyvissä.
Piilotettu sydämentahdistimemme
Kaikilla kolmella elämänalueella olevilla organismeilla on hämmästyttävä monimuotoisuus vuorokausirytmeissä. Näennäisesti yksinkertaiset sinileväbakteerit vuorottelevat fotosynteettistä aktiivisuutta päivän ja yön välillä. Neurospora crassa -sieni tuottaa itiöitä joka aamu juuri ennen aamunkoittoa. Siirtyvät monark-perhoset käyttävät herkkää auringon kompassia vuotuisessa muuttoliikkeessään. Circadian kello vaikuttaa melkein kaikkiin ihmisen toiminnan osa-alueisiin - voit nähdä tämän itsessäsi helposti, kun lentää aikavyöhykkeiden yli tai harjoittaa vuorotyötä.
Ympäröivien rytmien liikkeelle paneva voima on se, mitä tutkijat kutsuvat vuorokausipäivän keskusoskillaattoriksi, monimutkaiseksi geenien verkkoksi, joka kytkee toistensa toiminnan päälle ja pois. Yhdessä ne muodostavat monimutkaisia palautussilmukoita, jotka kalibroivat ajan tarkasti.
Vaikka yksittäiset kellogeenit eivät ole aina samoja kaikilla elämänalueilla, keskusoskillaattorin takaisinkytkentämekanismi on. Tämä mekanismi toimii kytkimenä synkronoidaksesi organismin päivittäiset toiminnot päivän ja yön vaihteluiden ja muiden ympäristömuutosten kanssa. Tällaiset uskomattomat tasapainottavat toimet heijastavat organismien kykyä ennakoida muuttuvaa ympäristöä koko päivän ajan.
Tarkka aikataulu ja terveys
Hyvin kalibroitu vuorokausipäiväkello on elintärkeä kasvulle ja kunnolle, minkä vuoksi vuorokausipäivän väärän kohdistaminen ympäristönäköihin aiheuttaa monipuolisia ja kauaskantoisia terveysongelmia. Jotkut ihmisen sairaudet, mukaan lukien diabetes, liikalihavuus, sydän- ja verisuonisairaudet ja jotkut psykiatriset häiriöt, kuten masennus ja kaksisuuntainen mielialahäiriö, liittyvät todennäköisesti vuorokausipäivän kelloihin, jotka eivät ole synkronoidut ympäristön kanssa.
Sienen aiheuttaman tartunnan jälkeen kasveilla, joilla oli mutantti vuorokausipäiväkello (oikealla), havaittiin paljon enemmän vaurioita kuin tavallisilla kasveilla (vasemmalla). (Hua Lu, CC BY-ND) Lisääntyviä todisteita linkittää myös vuorokausipäivän kellon kasvinsuojeluun. Erityisesti kasvitieteilijät ovat osoittaneet, että asianmukaisesti viritetty vuorokausipäivä on tärkeä kasvinsairauksien kestävyydelle patogeenien ja tuholaisten ryhmille. Vaikka kasvit eivät tuota vasta-aineita eivätkä käytä erikoistuneita immuunisoluja hyökkääjien torjumiseksi, jotkut heidän immuunijärjestelmästään ovat samanlaisia kuin meidän. Joidenkin kasvien, kuten Arabidopsisin, tavoin on helppo kasvattaa ja geneettisesti manipuloida niitä, koska ne tarjoavat ihanteellisia järjestelmiä tutkimaan kuinka vuorokausipäivä vaikuttaa taudin tulokseen kasveissa, jotka ovat saaneet tartunnan.
Kasvien ja patogeenien vuorovaikutus ympäri vuorokauden
Liikkumattomien kasvien on strategisesti kohdennettava rajoitetut energiansa ja resurssinsa taudinaiheuttajien ja tuholaisten kohdatessa. Heillä on hienostunut kyky ajoittaa puolustukseensa, mikä antaa heille mahdollisuuden ennakoida todennäköisiä hyökkäyksiä ennen niiden tapahtumista ja muokata puolustusreaktioita todellisille hyökkääjille.
Stomata ovat pieniä huokosia kasvin pinnalla, jotka voivat avautua ja sulkea. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) Kasvien puolustuksen eturintamassa on pinnalla. Fyysiset piirteet, kuten trikomit, pienet karvat, jotka tarttuvat ulos, peittävät kasvin suojaavasti, ja vahapäällysteet estävät hyökkääjät tarttumasta pintaan. Kasvien pinnalla on myös lukuisia suun muotoisia huokosia, nimeltään stomata. Normaalisti stomata avautuu rytmisesti päivällä ja sulkeutuu yöllä, prosessi, jota säätelee vuorokausipäivä, odottaen valon ja kosteuden muutoksia. Vaikka tämä prosessi on tärkeä fotosynteesille ja vedenvaihdolle, jotkut taudinaiheuttajat voivat käyttää avautuvaa stomaattia portaalina pääsemään ravintoaineisiin ja tilaan kasvakudoksen sisällä ja stomaatin sulkeminen rajoittaa patogeenin tunkeutumista.
Etulinjan fyysisten esteiden lisäksi kasvit ovat kehittäneet monimutkaisia seurantajärjestelmiä havaitakseen patogeenit ja tuholaiset tunkeilijoina. Kun solupinnan reseptorit tunnistavat taudinaiheuttajan, kasvi sulkee heti stomataansa hyökkäyskohdassa. Toiminnalliset vuorokausipäivän kellot heikentävät vatsan sulkeutumista, mikä johtaa vakavampiin sairauksiin.
Lisäpatogeenin tunnistaminen lähettää hälytyssignaalit syvälle kasvakudokselle, aktivoimalla puolustusvasteiden arsenaalin, mukaan lukien geeniekspression uudelleenohjelmointi, antimikrobisten yhdisteiden tuottaminen ja puolustussignaloinnin tehostaminen. Jopa ilman patogeenejä, monet näistä vasteista osoittavat vähäisiä, mutta rytmisiä muutoksia, joihin vuorokausipäivä vaikuttaa. Kun todellinen hyökkäys saapuu, kasvien puolustusjärjestelmien päivittäinen harjoittelu varmistaa vahvan ja koordinoidun oikea-aikaisen puolustuksen. Kasvit, joissa on väärin asetetut kellot, antautuvat hyökkäykseen.
Yksi erinomainen esimerkki kasvin ajoittamisesta sen puolustukseen tulee Xinnian Dongin ryhmästä Duke Universityssa. Hyaloperonospora arabidopsidis on patogeeni, joka leviää virulenttiset itiöt aamulla ja aiheuttaa taudin Arabidopsis- kasveissa. Dongin ryhmä osoitti tyylikkäästi, että Arabidopsis ennakoi tätä hyökkäystä ekspressoimalla sarjassa puolustusgeenejä, jotka antavat vastustusta patogeenille. Kun tutkijat häiritsivät Arabidopsis- vuorokausipäivää, se poisti tämän aamun puolustuksen ja teki kasvista alttiimman.
Kasvit luottavat myös oikea-aikaiseen puolustukseen torjuakseen hyönteisiä. Esimerkiksi kaali-silmukoiden ruokinta-aktiivisuus on huippua ennen hämärää. Janet Braam -ryhmän kaunis työ Rice-yliopistossa osoitti, että Arabidopsis tuottaa puolustuksen merkinantajahormoni jasmonihappoa huipulla keskipäivällä tämän hyökkäyksen odotettaessa. Kun hyönteiset todella iskevät, vuorokauden kello tehostaa keskipäivän puolustusta tuottaen enemmän jasmonihappoa estääkseen hyönteisten ruokintaa.
Tanssivatko kellot pareittain?
Kuten näistä esimerkeistä nähdään, taudinaiheuttajilla ja tuholaisilla on omat vuorokausipäivät, ja ne määrittävät parhaan ajan olla aktiivinen. Kuinka tämä kyky vaikuttaa heidän isäntänsä hyökkäyksiin? Toistaiseksi tutkijat eivät ole varmoja siitä, sovitetaanko patogeeni- ja tuholaiskellot isäntään. Jos ne ovat, kuinka synkronoituneena ne ovat, voivat määritellä heidän vuorovaikutuksensa lopputuloksen.
Nykyinen näyttö osoittaa, että jotkut eukaryoottiset mikrobit, kuten Hyaloperonospora arabidopsidis ja Botrytis cinerea, kykenevät manipuloimaan vuorokausipäivän Arabidopsis- kelloa. Jopa prokaryoottiset taudinaiheuttajat, kuten Pseudomonas syringae, voivat kanonisen keskusoskillaattorin puutteesta huolimatta häiritä kasvien kelloja monin tavoin.
Ihmisillä ja hiirillä jotkut suoliston mikrobiotan populaatiot värähtelevät päivittäin isäntäsirkadian kellosta riippuen. Mielenkiintoista on, että suolen mikrobiota pystyy ohjelmoimaan isäntäkellon uudelleen. Kuinka tämä transkingdom-viestintä tapahtuu? Kuinka se voi vaikuttaa isäntä- ja mikrobi-vuorovaikutuksen tuloksiin? Tämän alueen tutkimus edustaa kiehtovaa ja tutkimatonta isäntä-hyökkääjän dynamiikan tasoa.
Hyvin ajoitetut toimenpiteet kasveissa - kuten tamarindipuun sulkevat lehdet, jotka Androsthenes havaitsivat vuosituhansia sitten - voisivat lopulta auttaa meitä suunnittelemaan tarkempia lääkkeitä. (Oraphan_nan / Shutterstock.com) Kello parantajana ja auttajana
Kyky integroida aikajuhlat kehitykseen ja reaktioihin ympäristörikoksiin on evoluutiosovellus. Kasvit ovat opettaneet biologille paljon vuorokausirytmeistä ja heidän tehtävästään muuntaa kaikkea kehityksestä puolustukseen.
Kellotutkimus on avannut mahdollisuuden soveltaa tätä tietoa muihin järjestelmiin, mukaan lukien ihmiset. Kuinka voimme muokata tiettyjen puolustusominaisuuksien päivittäistä pyöräilyä immuniteetin lisäämiseksi aiheuttamatta kehitysstressiä? Millä vuorokaudenaikoilla olemme alttiimpia tietyille taudinaiheuttajille? Mitkä ovat patogeenien ja tuholaisten invasiivisimmat päiväajat?
Vastaukset kysymyksiin, kuten nämä, auttavat purkamaan isäntä-patogeenin ja tuholaisten vuorovaikutusta, ei vain kasveissa, mutta myös ihmisissä. Viime kädessä tämä tieto voisi auttaa kehittämään tarkkuuslääkkeitä, jotka on räätälöity parantamaan yksittäisten ihmisten oikea-aikaista puolustusta torjumaan erilaisia patogeenejä ja tuholaisia. Lisäksi ymmärryksemme kasvitautien kestävyydestä auttaa parantamaan taudinaiheuttajia ja tuholaisia maataloudessa ja lievittämään satohäviön maailmanlaajuisia haasteita.
Käynnissä oleva tutkimus paljastaa edelleen, kuinka vuorokausirytmien vaikutus ulottuu niin rajattomasti kuin auringonsäteet.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Hua Lu, biologisten tieteiden apulaisprofessori, Marylandin yliopisto, Baltimore County
Linda Wiratan, BS, biokemian ja molekyylibiologian opiskelija, Marylandin yliopisto, Baltimore County
