At studere døgnrytmer i planter og deres patogener kan føre til præcisionsmedicin for mennesker

I skumringen, bladene på tamarindtræet lukker, venter på endnu en daggry. Androsthenes, en skibskaptajn under Alexander den Store, gjorde den første skriftlige redegørelse for disse bladbevægelser i det fjerde århundrede f.Kr.

Det tog århundreder længere at opdage, at han beskrev virkningerne af døgnrytmen. Denne interne tidsfornemmende mekanisme giver mange levende organismer mulighed for at holde styr på tiden og koordinere deres adfærd under 24-timers cyklusser. Den følger den normale dag/nat og sæsonmæssige cyklusser for Jordens daglige rotation. Cirkadisk forskning er gået så langt, at 2017 Nobelprisen i fysiologi eller medicin blev tildelt for det banebrydende arbejde, der belyste det molekylære grundlag, der ligger til grund for døgnrytmer.

Biologer som os studerer døgnets ure i planter for at få indsigt i, hvordan de påvirker sundhed og velvære for alt liv på Jorden. Efterhånden som forskere fortsætter med at afklare mere om, hvordan disse ure fungerer - herunder hvordan de påvirker interaktioner mellem værter og deres invaderende patogener og skadedyr - kunne nye former for specielt timet præcisionsmedicin være i horisonten.

Vores skjulte pacemaker

Organismer fra alle tre livsområder besidder en fantastisk mangfoldighed af døgnrytmer. Tilsyneladende enkelt Cyanobakterier alternativ fotosyntetisk aktivitet mellem dag og nat. Svampen Neurospora crassa producerer sporer hver morgen lige før daggry. Vandrende monark sommerfugle bruger et sart solkompas i deres årlige vandring. Næsten alle aspekter af menneskelig aktivitet er påvirket af døgnrytmen - du kan let se dette i dig selv, hvis du flyver over tidszoner eller deltager i skiftearbejde.

Drivkraften bag døgnrytmer er det, forskerne kalder døgnurets centrale oscillator, et udførligt netværk af gener, der tænder og slukker hinandens aktivitet. Sammen, de danner komplekse feedback -sløjfer, der præcist kalibrerer tiden.

Selvom individuelle urgener ikke altid er de samme på tværs af livsområder, den centrale oscillators feedback -mekanisme er. Denne mekanisme fungerer som en switch til at synkronisere en organisms daglige aktiviteter med udsving i dag og nat og andre miljøændringer. Sådanne fantastiske balancegange afspejler organismernes evner til at foregribe ændrede omgivelser i løbet af dagen.

Præcis tidtagning og sundhed

Et velkalibreret døgnur er afgørende for vækst og kondition, derfor forårsager fejljustering af døgnrytmen med miljømæssige signaler forskellige og vidtgående sundhedsproblemer. Nogle menneskelige sygdomme, herunder diabetes, fedme, kardiovaskulær sygdom og nogle psykiatriske lidelser såsom depression og bipolar lidelse, sandsynligvis er forbundet med, at døgnradioure ikke er synkroniseret med miljøet.

Stigende beviser forbinder også døgnrytmen med plantesundhed. I særdeleshed, planteforskere har vist, at et korrekt indstillet døgnur er vigtigt for plantesygdomsresistens over for rækker af patogener og skadedyr. Selvom planter ikke producerer antistoffer eller bruger specialiserede immunceller til at afværge angribere, nogle aspekter af deres immunsystem ligner vores. På grund af hvor let det er at vokse og manipulere dem genetisk, nogle planter, synes godt om Arabidopsis , tjene som ideelle systemer til at undersøge, hvordan døgnrytmen påvirker udfaldet af sygdomme hos planter, når de først blev inficeret.

Plante-patogen-interaktioner døgnet rundt

Planter, at være urørlig, skal strategisk tildele deres begrænsede energi og ressourcer, når de står over for patogener og skadedyr. De har den sofistikerede evne til at time deres forsvar, som giver dem mulighed for at foregribe sandsynlige angreb, før de opstår og modulere forsvarets reaktioner på rigtige angribere.

Forkant med planteforsvar er på overfladen. Fysiske træk som trichomer, små hår der stikker ud, beskyttende dække en plante, og voksbelægninger afholder angriberne fra at klæbe fast på overfladen. Plantens overflade har også adskillige mundlignende porer kaldet stomata. Normalt, stomata rytmisk åben om dagen og lukker om natten, en proces reguleret af døgnrytmen i forventning om ændringer i lys og fugtighed. Selvom denne proces er vigtig for fotosyntese og vandudveksling, åbning af stomata kan bruges af nogle patogener som portaler for at få adgang til næringsstoffer og plads inde i plantevævet og lukke stomata begrænse patogen invasion.

Ud over fysiske barrierer i frontlinjen, planter har udviklet komplekse overvågningssystemer til at opdage patogener og skadedyr som ubudne gæster. Når celleoverfladereceptorer genkender et patogen, planten lukker straks sine stomata ved invasionsstedet. Dysfunktionelle døgnure påvirker stomatal lukning, resulterer i en mere alvorlig sygdom.

Yderligere patogengenkendelse sender alarmsignaler dybt ind i plantevævet, aktivering af et arsenal af forsvarssvar, herunder omprogrammering af genekspression, produktion af antimikrobielle forbindelser og forbedring af forsvarssignalering. Selv i fravær af patogener, mange af disse svar viser lave, men rytmiske ændringer, der påvirkes af døgnrytmen. Når der kommer et rigtigt angreb, planternes daglige øvelse af deres forsvarssystemer sikrer et stærkt og samordnet rettidig forsvar. Planter med fejljusterede ure bukker under for angrebet.

Et glimrende eksempel på, at et anlæg timede sit forsvar, kommer fra Xinnian Dongs gruppe ved Duke University. Hyaloperonospora arabidopsidis er et patogen, der spreder sine virulente sporer om morgenen og forårsager sygdom i Arabidopsis planter. Det viste Dongs gruppe elegant Arabidopsis forudser dette angreb ved at udtrykke et sæt forsvarsgener ved daggry, der giver modstand mod patogenet. Da forskerne forstyrrede Arabidopsis døgnrytme, det afskaffede i morges forsvar og gjorde planten mere modtagelig.

Planter er også afhængige af rettidig forsvar for at bekæmpe insekter. For eksempel, kålsløjfer har maksimal fodringsaktivitet før skumringen. Smukt arbejde af Janet Braams gruppe på Rice University viste det Arabidopsis producerer forsvarssignalhormonet jasmonic acid med en top ved middagstid i påvente af dette angreb. Når insekterne rent faktisk rammer, døgnrytmen øger dette middagssvar, producerer mere jasmonsyre for at hæmme insekternæring.

Danser ure parvis?

Som det ses af disse eksempler, patogener og skadedyr har deres egne døgnure og bruger dem til at bestemme det bedste tidspunkt at være aktiv. Hvordan påvirker denne evne deres invasion af værter? Indtil nu, forskere er ikke sikre på, om patogen- og skadedyrsure er koordineret til værtens. Hvis de er, deres synkronisering, de er, kunne bestemme resultatet af deres interaktioner.

Nuværende beviser indikerer, at nogle eukaryote mikrober, såsom Hyaloperonospora arabidopsidis og Botrytis cinerea , er i stand til at manipulere Arabidopsis døgnrytme. Selv prokaryote patogener, synes godt om Pseudomonas syringae , på trods af mangel på en kanonisk centraloscillator, kan forstyrre planteure på forskellige måder.

Hos mennesker og mus, nogle populationer af tarmmikrobiota svinger dagligt, afhængig af værtsdøgnets ur. Interessant nok, tarmmikrobiota er i stand til at omprogrammere værtsuret. Hvordan opstår denne transkingdomskommunikation? Hvordan kan det påvirke resultatet af værts- og mikrobeinteraktioner? Forskning på dette område repræsenterer et fascinerende og uudforsket niveau af vært-invaderende dynamik.

Uret som healer og hjælper

Evnen til at integrere tidstegn med udvikling og reaktioner på miljøangreb er en evolutionær tilpasning. Planter har lært biologer meget om døgnrytme og deres rolle i at modulere alt fra udvikling til forsvar.

Urforskning har åbnet en mulighed for at anvende denne viden på andre systemer, herunder mennesker. Hvordan kan vi ændre den daglige cykling af visse forsvarsfunktioner for at forbedre immuniteten uden at forårsage udviklingsmæssig stress? Hvilke tidspunkter på dagen er vi mest modtagelige for visse patogener? Hvad er de mest invasive tider på dagen for forskellige patogener og skadedyr?

Svar på spørgsmål som disse vil hjælpe med at opklare vært-patogen/skadedyrsinteraktioner, ikke bare i planter, men også hos mennesker. Ultimativt, denne viden kan bidrage til design af præcisionsmedicin, der er skræddersyet til at øge rettidig forsvar hos enkelte mennesker til at bekæmpe forskellige patogener og skadedyr. Ud over, vores forståelse af plantesygdomsresistens vil hjælpe landbrugets kontrol med patogener og skadedyr, afbødning af den globale udfordring med tab af afgrøder.

Løbende forskning afslører fortsat, hvordan påvirkningen af ​​døgnrytmer strækker sig lige så grænseløst som solens stråler.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.