Κατά το σούρουπο, τα φύλλα του ταμαρίν δέντρου κοντά, περιμένοντας μια άλλη αυγή. Ο Androsthenes, πλοίαρχος του πλοίου που υπηρετεί κάτω από τον Μεγάλο Αλέξανδρο, έκανε τον πρώτο γραπτό απολογισμό αυτών των κινήσεων φύλλων τον 4ο αιώνα π.Χ.
Χρειάστηκαν αιώνες περισσότερο για να ανακαλύψει ότι περιγράφει τις επιδράσεις του κιρκαδικού ρολογιού. Αυτός ο μηχανισμός εσωτερικής ανίχνευσης επιτρέπει σε πολλούς ζωντανούς οργανισμούς να παρακολουθούν το χρόνο και να συντονίζουν τις συμπεριφορές τους κατά τη διάρκεια κύκλων 24 ωρών. Ακολουθεί τον κανονικό ημερήσιο / νυχτερινό και εποχιακό κύκλο της καθημερινής περιστροφής της Γης. Έχει προχωρήσει μέχρι τώρα η κυκλοκαδική έρευνα ότι το Βραβείο Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής του 2017 απονεμήθηκε για το πρωτοποριακό έργο που αποσαφήνισε τη μοριακή βάση που βασίζεται στους κιρκαδικούς ρυθμούς.
Βιολόγοι σαν εμάς μελετούν τα κιρκαδικά ρολόγια στα φυτά για να δουν πώς επηρεάζουν την υγεία και την ευημερία κάθε ζωής στη Γη. Καθώς οι ερευνητές συνεχίζουν να ξεδιπλώνονται περισσότερο για το πώς λειτουργούν αυτά τα ρολόγια - συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο επηρεάζουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ξενιστών και των εισβολέων παθογόνων παραγόντων και επιβλαβών οργανισμών - νέες ορφές ειδικής χρονικής ιατρικής ακριβείας θα μπορούσαν να βρίσκονται στον ορίζοντα.
Ο κρυμμένος βηματοδότης μας
Οι οργανισμοί και από τους τρεις τομείς της ζωής έχουν μια καταπληκτική ποικιλία κιρκαδικών ρυθμών. Φαινομενικά απλά κυανοβακτήρια εναλλάσσουν τη φωτοσυνθετική δραστηριότητα μεταξύ ημέρας και νύχτας. Ο μύκητας Neurospora crassa παράγει σπόρια κάθε πρωί λίγο πριν την αυγή. Οι μεταναστευτικές πεταλούδες μονάρχης χρησιμοποιούν μια λεπτή ηλιακή πυξίδα στην ετήσια μετανάστευσή τους. Σχεδόν κάθε πτυχή της ανθρώπινης δραστηριότητας επηρεάζεται από το κιρκάδι ρολόι - μπορείτε να το δείτε εύκολα στον εαυτό σας εάν πετάτε μέσα σε ζώνες ώρας ή συμμετέχετε σε εργασίες βάρδιας.
Η κινητήρια δύναμη πίσω από τους κιρκάδιους ρυθμούς είναι αυτό που οι επιστήμονες ονομάζουν κεντρικό ταλαντωτή του κιρκαδικού ρολογιού, ένα περίπλοκο δίκτυο γονιδίων που ενεργοποιούν και απενεργοποιούν την δραστηριότητα του άλλου. Μαζί, σχηματίζουν πολύπλοκες βρόχους ανατροφοδότησης που βαθμονομούν με ακρίβεια τον χρόνο.
Αν και τα μεμονωμένα γονίδια ρολογιού δεν είναι πάντα τα ίδια σε όλους τους τομείς της ζωής, ο μηχανισμός ανάδρασης του κεντρικού ταλαντωτή είναι. Αυτός ο μηχανισμός λειτουργεί ως εναλλαγή για τον συγχρονισμό των καθημερινών δραστηριοτήτων ενός οργανισμού με διακυμάνσεις της ημέρας και της νύχτας και άλλες περιβαλλοντικές αλλαγές. Τέτοιες καταπληκτικές πράξεις εξισορρόπησης αντικατοπτρίζουν τις ικανότητες των οργανισμών να προβλέπουν το μεταβαλλόμενο περιβάλλον καθ 'όλη τη διάρκεια της ημέρας.
Ακριβής χρονομέτρηση και υγεία
Ένα καλά βαθμονομημένο κιρκαδικό ρολόι είναι κρίσιμο για την ανάπτυξη και την καλή φυσική κατάσταση, γι 'αυτό και η κακή ευθυγράμμιση του κιρκαδικού ρολογιού με τα περιβαλλοντικά σημάδια προκαλεί ποικίλα και εκτεταμένα ζητήματα υγείας. Ορισμένες ανθρώπινες ασθένειες, συμπεριλαμβανομένου του διαβήτη, της παχυσαρκίας, των καρδιαγγειακών παθήσεων και κάποιων ψυχιατρικών διαταραχών, όπως η κατάθλιψη και η διπολική διαταραχή, συνδέονται πιθανώς με τα κιρκαδικά ρολόγια χωρίς συγχρονισμό με το περιβάλλον.
Μετά τη μόλυνση από έναν μύκητα, τα φυτά με ένα μεταλλαγμένο κιρκαδικό ρολόι (δεξιά) έδειξαν πολύ μεγαλύτερη ζημιά από τα κανονικά φυτά (αριστερά). (Hua Lu, CC BY-ND) Οι αυξανόμενες ενδείξεις συνδέουν επίσης το κιρκάδιο ρολόι με την υγεία των φυτών. Συγκεκριμένα, οι επιστήμονες των φυτών έχουν δείξει ότι ένα σωστά συντονισμένο κιρκαδικό ρολόι είναι σημαντικό για την ανθεκτικότητα των φυτικών ασθενειών σε συστοιχίες παθογόνων και παρασίτων. Αν και τα φυτά δεν παράγουν αντισώματα ή χρησιμοποιούν εξειδικευμένα ανοσοκύτταρα για να αποτρέψουν τους εισβολείς, ορισμένες πτυχές του ανοσοποιητικού τους συστήματος είναι παρόμοιες με τις δικές μας. Λόγω του πόσο εύκολο είναι να αναπτυχθούν και να τα χειριστούν γενετικά, ορισμένα φυτά, όπως ο Arabidopsis, χρησιμεύουν ως ιδανικά συστήματα για να ερευνήσουν πώς το κιρκάδιο ρολόι επηρεάζει την έκβαση των ασθενειών στα φυτά που μολύνθηκαν.
Οι αλληλεπιδράσεις φυτοπαθογόνου όλο το εικοσιτετράωρο
Τα φυτά, που είναι ακίνητα, πρέπει να κατανείμουν στρατηγικά την περιορισμένη τους ενέργεια και πόρους όταν αντιμετωπίζουν παθογόνους παράγοντες και παράσιτα. Έχουν την εκλεπτυσμένη ικανότητα να χρονοτριβούν την άμυνά τους, γεγονός που τους επιτρέπει να προβλέπουν τις πιθανές επιθέσεις πριν εμφανιστούν και να διαμορφώσουν τις αποκρίσεις άμυνας σε πραγματικούς επιτιθέμενους.
Τα Stomata είναι μικροί πόροι στην επιφάνεια του φυτού που μπορούν να ανοίξουν και να κλείσουν. (Βαλεντίνα Μόρουρου / Shutterstock.com) Το προσκήνιο της άμυνας των φυτών είναι στην επιφάνεια. Φυσικά χαρακτηριστικά όπως τριχόμες, μικρές τρίχες που εκτείνονται, καλύπτουν προστατευτικά ένα φυτό και επικαλύψεις κεριών αποτρέπουν τους εισβολείς από την προσκόλληση στην επιφάνεια. Η επιφάνεια του φυτού έχει επίσης πολλούς πόρους που ονομάζονται stomata. Κανονικά, το stomata ανοίγει ρυθμικά την ημέρα και κλείνει τη νύχτα, μια διαδικασία που ρυθμίζεται από το κιρκαδικό ρολόι, αναμένοντας αλλαγές φωτός και υγρασίας. Ενώ αυτή η διαδικασία είναι σημαντική για τη φωτοσύνθεση και την ανταλλαγή νερού, τα ανοίγματα stomata μπορούν να χρησιμοποιηθούν από ορισμένα παθογόνα ως πύλες για την πρόσβαση σε θρεπτικά συστατικά και στο εσωτερικό του φυτικού ιστού και το κλείσιμο των stomata περιορίζουν την εισβολή των παθογόνων παραγόντων.
Πέρα από τους πρώτους φυσικούς φραγμούς, τα φυτά έχουν αναπτύξει σύνθετα συστήματα επιτήρησης για την ανίχνευση παθογόνων και παρασίτων ως εισβολείς. Όταν οι υποδοχείς κυτταρικής επιφάνειας αναγνωρίζουν ένα παθογόνο, το φυτό κλείνει αμέσως τα στομάχια του στη θέση εισβολής. Τα δυσλειτουργικά κιρκάδικα ρολόγια μειώνουν το κλείσιμο του στόματος, οδηγώντας σε πιο σοβαρή ασθένεια.
Η περαιτέρω αναγνώριση παθογόνων αποστέλλει σήματα συναγερμού βαθιά στον φυτικό ιστό, ενεργοποιώντας ένα οπλοστάσιο αμυντικών αποκρίσεων, συμπεριλαμβανομένου του επαναπρογραμματισμού της γονιδιακής έκφρασης, της παραγωγής αντιμικροβιακών ενώσεων και της ενίσχυσης της σηματοδότησης της άμυνας. Ακόμη και ελλείψει παθογόνων, πολλές από αυτές τις αποκρίσεις δείχνουν χαμηλές αλλά ρυθμικές αλλαγές που επηρεάζονται από το κιρκάδι ρολόι. Όταν μια πραγματική επίθεση φτάνει, η καθημερινή πρόβλεψη των φυτών για τα αμυντικά τους συστήματα εξασφαλίζει μια ισχυρή και συντονισμένη έγκαιρη άμυνα. Φυτά με ρολόγια που δεν έχουν ευθυγραμμιστεί υποκύπτουν στην επίθεση.
Ένα εξαιρετικό παράδειγμα μιας εγκατάστασης που χρονολογεί την υπεράσπισή της προέρχεται από την ομάδα του Xinnian Dong στο Duke University. Hyaloperonospora arabidopsidis είναι ένα παθογόνο που διαχέει τα μολυσματικά σπόρια του το πρωί και προκαλεί ασθένεια στα φυτά Arabidopsis . Η ομάδα του Dong έδειξε κομψά ότι ο Arabidopsis αναμένει αυτή την επίθεση εκφράζοντας μια σειρά αμυντικών γονιδίων κατά την αυγή που δίνει αντίσταση εναντίον του παθογόνου. Όταν οι ερευνητές διέκοψαν το ρολόι του Arabidopsis circadian, καταργούσε αυτή την υπεράσπιση το πρωί και έκανε το φυτό πιο ευαίσθητο.
Τα φυτά βασίζονται επίσης στην έγκαιρη άμυνα για την καταπολέμηση των εντόμων. Για παράδειγμα, οι βούρτσες λάχανων έχουν μέγιστη δραστηριότητα σίτισης πριν το σούρουπο. Όμορφη δουλειά από την ομάδα του Janet Braam στο Πανεπιστήμιο Ράις έδειξε ότι ο Arabidopsis παράγει την ένδειξη υπεράσπισης της ορμόνης jasmonic acid με κορυφή το μεσημέρι, εν όψει αυτής της επίθεσης. Όταν τα έντομα χτυπήσουν, το κιρκάδιο ρολόι ενισχύει αυτήν την αμυχή άμυνα, παράγοντας περισσότερο ιασμονικό οξύ για να εμποδίσει τη διατροφή των εντόμων.
Τα ρολόγια χορεύουν σε ζευγάρια;
Όπως φαίνεται από αυτά τα παραδείγματα, τα παθογόνα και τα παράσιτα έχουν τα δικά τους κιρκάδικα ρολόγια και τα χρησιμοποιούν για να καθορίσουν τον καλύτερο χρόνο για να είναι ενεργοί. Πώς επηρεάζει αυτή η ικανότητα τις εισβολές τους από τους οικοδεσπότες; Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές δεν είναι σίγουροι εάν τα παθογόνα και τα ρολόγια παρασίτων συντονίζονται με αυτά του ξενιστή. Εάν είναι, ο τρόπος με τον οποίο είναι συγχρονισμένοι μπορούν να καθορίσουν το αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεών τους.
Τα τρέχοντα στοιχεία δείχνουν ότι ορισμένα ευκαρυωτικά μικρόβια, όπως τα Hyaloperonospora arabidopsidis και Botrytis cinerea, είναι σε θέση να χειριστούν το ρολόι του Arabidopsis circadian. Ακόμη και τα προκαρυωτικά παθογόνα, όπως το Pseudomonas syringae, παρά την έλλειψη ενός κανονικού κεντρικού ταλαντωτή, μπορούν να παρεμβαίνουν στα ρολόγια των φυτών με διάφορους τρόπους.
Στους ανθρώπους και στα ποντίκια, μερικοί πληθυσμοί μικροβίων του εντέρου ταλαντεύονται καθημερινά, ανάλογα με τον ξενιστή του κιρκάδιου ρολογιού. Είναι ενδιαφέρον ότι η μικροβιοτική του εντέρου είναι ικανή να επαναπρογραμματίζει το ρολόι του ξενιστή. Πώς συμβαίνει αυτή η επικοινωνία transkingdom; Πώς μπορεί να επηρεάσει το αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων του ξενιστή και του μικροβίου; Η έρευνα στον τομέα αυτό αντιπροσωπεύει ένα συναρπαστικό και ανεξερεύνητο επίπεδο δυναμικής εισβολής-φιλοξενουμένων.
Οι καλά σχεδιασμένες ενέργειες σε φυτά - όπως τα φύλλα κλεισίματος του δέντρου του tamarind που παρατηρήθηκαν πριν από χιλιάδες χρόνια από τον Androsthenes - θα μπορούσαν τελικά να μας βοηθήσουν να σχεδιάσουμε πιο ακριβή φάρμακα. (oraphan_nan / Shutterstock.com) Το ρολόι ως θεραπευτής και βοηθός
Η ικανότητα ενσωμάτωσης των συνθηκών χρόνου με την ανάπτυξη και τις αντιδράσεις στις περιβαλλοντικές επιθέσεις είναι μια εξελικτική προσαρμογή. Τα φυτά έχουν διδάξει στους βιολόγους πολλά για τους κιρκάδιους ρυθμούς και τον ρόλο τους στη διαμόρφωση όλων από την ανάπτυξη έως την άμυνα.
Η έρευνα ρολογιών άνοιξε την ευκαιρία να εφαρμόσει αυτή τη γνώση σε άλλα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Πώς μπορούμε να τροποποιήσουμε την καθημερινή ποδηλασία ορισμένων χαρακτηριστικών άμυνας για να ενισχύσουμε την ασυλία χωρίς να προκαλέσουμε άγχος στην ανάπτυξη; Τι ώρες της ημέρας είμαστε πιο επιρρεπείς σε ορισμένους παθογόνους παράγοντες; Ποιες είναι οι πιο επεμβατικές ώρες της ημέρας για διάφορα παθογόνα και παράσιτα;
Οι απαντήσεις σε ερωτήσεις όπως αυτές θα βοηθήσουν στην εξάπλωση των αλληλεπιδράσεων ξενιστή-παθογόνου / παρασίτου, όχι μόνο στα φυτά αλλά και στους ανθρώπους. Τελικά, αυτή η γνώση θα μπορούσε να συμβάλει στο σχεδιασμό φαρμάκων ακριβείας που είναι προσαρμοσμένα ώστε να ενισχύουν την έγκαιρη υπεράσπιση των μεμονωμένων ατόμων για την καταπολέμηση διαφόρων παθογόνων και παρασίτων. Επιπλέον, η κατανόησή μας για την ανθεκτικότητα στις ασθένειες των φυτών θα βοηθήσει στον αγροτικό έλεγχο των παθογόνων και παρασίτων, περιορίζοντας την παγκόσμια πρόκληση της απώλειας καλλιεργειών.
Η συνεχιζόμενη έρευνα συνεχίζει να αποκαλύπτει πώς η επιρροή των κιρκαδικών ρυθμών εκτείνεται τόσο απεριόριστα όσο οι ακτίνες του ήλιου.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Hua Lu, Αναπληρωτής Καθηγητής Βιολογικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο Maryland, κομητεία του Βαλτιμόρη
Linda Wiratan, BS Φοιτητής Βιοχημείας και Μοριακής Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Maryland, Baltimore County
