Za soumraku se listy tamarindu zavřou a čekají na další svítání. Androsthenes, kapitán lodi sloužící za Alexandra Velikého, učinil první písemný popis těchto pohybů listů ve čtvrtém století před naším letopočtem
Trvalo staletí, než se zjistilo, že popisuje účinky cirkadiánních hodin. Tento vnitřní mechanismus snímání času umožňuje mnoha živým organismům sledovat čas a koordinovat jejich chování v průběhu 24 hodinových cyklů. Sleduje pravidelné denní / noční a sezónní cykly denní rotace Země. Cirkadiánský výzkum dosud pokročil, takže Nobelova cena za rok 2017 ve fyziologii nebo medicíně byla udělena za průkopnickou práci, která objasnila molekulární základ, na němž jsou zakládány cirkadiánní rytmy.
Biologové jako my studují cirkadiánní hodiny v rostlinách, aby zjistili, jak ovlivňují zdraví a pohodu celého života na Zemi. Vědci se stále více hádají o tom, jak tyto hodiny fungují - včetně toho, jak ovlivňují interakce mezi hostiteli a jejich invazivními patogeny a škůdci - mohly být na obzoru nové formy speciálně načasované přesné medicíny.
Náš skrytý kardiostimulátor
Organismy ze všech tří oblastí života mají úžasnou rozmanitost cirkadiánních rytmů. Zdánlivě jednoduchá cyanobakterie střídá fotosyntetickou aktivitu mezi dnem a nocí. Houba Neurospora crassa produkuje spory každé ráno těsně před úsvitem. Migrující motýli monarchy používají při své roční migraci jemný sluneční kompas. Téměř každý aspekt lidské činnosti je ovlivněn cirkadiánními hodinami - můžete to snadno vidět sami, pokud létáte v časových pásmech nebo se věnujete práci na směny.
Hnací silou cirkadiánních rytmů je to, co vědci nazývají centrálním oscilátorem cirkadiánních hodin, propracovanou sítí genů, které navzájem zapínají a vypínají aktivitu. Společně vytvářejí komplexní smyčky zpětné vazby, které přesně kalibrují čas.
Přestože jednotlivé geny hodin nejsou napříč doménami života vždy stejné, mechanismus zpětné vazby centrálního oscilátoru je. Tento mechanismus funguje jako spínač pro synchronizaci denních aktivit organismu s denními a nočními výkyvy a dalšími změnami prostředí. Tyto úžasné vyvažovací akty odrážejí schopnost organismů předvídat měnící se prostředí po celý den.
Přesné měření času a zdraví
Dobře kalibrované cirkadiánní hodiny jsou rozhodující pro růst a kondici, a proto špatné vyrovnání cirkadiánních hodin s okolními podněty způsobuje rozmanité a dalekosáhlé zdravotní problémy. Některá lidská onemocnění, včetně diabetu, obezity, kardiovaskulárních onemocnění a některých psychiatrických poruch, jako je deprese a bipolární porucha, jsou pravděpodobně spojena s tím, že cirkadiánní hodiny nejsou synchronizovány s prostředím.
Po infekci houbou vykazovaly rostliny s mutantními cirkadiánními hodinami (vpravo) mnohem větší poškození než normální rostliny (vlevo). (Hua Lu, CC BY-ND) Rostoucí důkazy také spojují cirkadiánní hodiny se zdravím rostlin. Zejména vědci rostlin ukázali, že správně vyladěné cirkadiánní hodiny jsou důležité pro odolnost vůči chorobám rostlin vůči polím patogenů a škůdců. Ačkoli rostliny neprodukují protilátky nebo nepoužívají specializované imunitní buňky k odvrácení útočníků, některé aspekty jejich imunitního systému jsou podobné těm našim. Vzhledem k tomu, jak snadné je pěstovat a geneticky manipulovat s nimi, některé rostliny, jako je Arabidopsis, slouží jako ideální systémy pro zkoumání toho, jak cirkadiánní hodiny ovlivňují výsledek chorob rostlin, které byly jednou infikovány.
Interakce rostlin-patogen nepřetržitě
Rostliny, které jsou imobilní, musí strategicky alokovat omezenou energii a zdroje, když čelí patogenům a škůdcům. Mají sofistikovanou schopnost časovat svou obranu, což jim umožňuje předvídat pravděpodobné útoky dříve, než k nim dojde, a modulovat obranné reakce na skutečné útočníky.
Stomata jsou malé póry na povrchu rostliny, které se mohou otevírat a zavírat. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) V popředí ochrany rostlin je na povrchu. Fyzické rysy, jako jsou trichomy, malé chlupy, které vyčnívají, chrání rostlinu a voskové povlaky, brání útočníkům v přilnutí na povrch. Povrch rostliny má také četné pórovité póry zvané stomata. Normálně se stomata rytmicky otevírá ve dne a v noci, což je proces regulovaný cirkadiánními hodinami v očekávání změn světla a vlhkosti. I když je tento proces důležitý pro fotosyntézu a výměnu vody, některé patogeny mohou otevírat stomatu jako portály pro přístup k živinám a prostoru uvnitř rostlinné tkáně a uzavření stomaty omezuje invazi patogenů.
Kromě fyzických překážek v první linii se u rostlin vyvinuly složité systémy sledování, které detekují patogeny a škůdce jako vetřelce. Když receptory na buněčném povrchu rozpoznají patogen, rostlina okamžitě uzavře stomatu v místě invaze. Dysfunkční cirkadiánní hodiny narušují uzavření žaludku, což má za následek závažnější onemocnění.
Další rozpoznávání patogenu vysílá výstražné signály hluboko do rostlinné tkáně, čímž aktivuje arzenál obranných odpovědí, včetně přeprogramování genové exprese, produkce antimikrobiálních sloučenin a posílení obranné signalizace. I v nepřítomnosti patogenů vykazuje mnoho z těchto odpovědí nízké, ale rytmické změny, které jsou ovlivněny cirkadiánními hodinami. Když dojde k opravdovému útoku, každodenní zkoušení jejich obranných systémů rostlinami zajišťuje silnou a koordinovanou včasnou obranu. Rostliny se špatně vyrovnanými hodinami podléhají útoku.
Jedním z vynikajících příkladů načasování závodu je obrana skupiny Xinnian Dong na Duke University. Hyaloperonospora arabidopsidis je patogen, který ráno šíří své virulentní spory a způsobuje onemocnění v rostlinách Arabidopsis . Dongova skupina elegantně ukázala, že Arabidopsis očekává tento útok tím, že za úsvitu exprimuje sadu obranných genů, která dává rezistenci vůči patogenu. Když vědci přerušili cirkadiánní hodiny Arabidopsis, zrušili tuto ranní obranu a učinili rostlinu náchylnější.
Rostliny také spoléhají na včasnou obranu, aby zahnaly hmyz. Například, zelí smyčky mají špičkovou krmnou aktivitu před setměním. Krásná práce skupiny Janet Braam na Rice University ukázala, že Arabidopsis produkuje obranný signalizační hormon kyseliny jasmonové se špičkou v poledne v očekávání tohoto útoku. Když hmyz skutečně udeří, cirkadiánní hodiny posilují tuto polední obranu a produkují více kyseliny jasmonové k potlačení krmení hmyzem.
Tančí hodiny ve dvojicích?
Jak je patrné z těchto příkladů, patogeny a škůdci mají své vlastní cirkadiánní hodiny a používají je k určení nejlepšího času k aktivitě. Jak tato schopnost ovlivňuje jejich invazi hostitelů? Až dosud si vědci nejsou jisti, zda jsou patogeny a hodiny škůdců koordinovány s hostitelem. Pokud jsou, jejich synchronizace by mohla určit výsledek jejich interakcí.
Současné důkazy ukazují, že některé eukaryotické mikroby, jako je Hyaloperonospora arabidopsidis a Botrytis cinerea, jsou schopny manipulovat s cirkadiánními hodinami Arabidopsis . I prokaryotické patogeny, jako je Pseudomonas syringae, i přes chybějící kanonický centrální oscilátor, mohou různými způsoby interferovat s rostlinnými hodinami.
U lidí a myší některé populace střevní mikrobioty oscilují denně v závislosti na cirkadiánních hodinách hostitele. Zajímavé je, že střevní mikrobiota je schopna přeprogramovat hostitelské hodiny. Jak probíhá tato transkingdomská komunikace? Jak může ovlivnit výsledek interakcí mezi hostitelem a mikroby? Výzkum v této oblasti představuje fascinující a neprobádanou úroveň dynamiky hostitel-útočník.
Dobře načasované akce v rostlinách - jako zavírací listy stromů tamarindu, které si všimly před tisíci lety Androsthenes - by nám nakonec mohly pomoci navrhnout přesnější léky. (oraphan_nan / Shutterstock.com) Hodiny jako léčitel a pomocník
Schopnost integrovat časové podněty s vývojem a reakcemi na environmentální útoky je evoluční adaptace. Rostliny učily biology hodně o cirkadiánních rytmech a jejich roli v modulaci všeho od vývoje po obranu.
Hodinový výzkum otevřel příležitost aplikovat tyto znalosti na jiné systémy, včetně lidí. Jak můžeme upravit denní cyklování určitých obranných prvků, abychom zvýšili imunitu, aniž bychom vyvolali vývojový stres? Jaké denní doby jsme nejcitlivější na určité patogeny? Jaké jsou nejinvazivnější denní doby pro různé patogeny a škůdce?
Odpovědi na tyto otázky pomohou rozmotat interakce hostitel-patogen / škůdce, a to nejen u rostlin, ale i u lidí. Tyto znalosti by nakonec mohly přispět k návrhu přesných léků, které jsou uzpůsobeny tak, aby podpořily včasnou obranu jednotlivých lidí v boji proti různým patogenům a škůdcům. Kromě toho naše porozumění odolnosti proti chorobám rostlin pomůže zemědělské kontrole patogenů a škůdců a zmírní globální problém ztráty úrody.
Probíhající výzkum ukazuje, jak se vliv cirkadiánních rytmů rozšiřuje stejně neomezeně jako sluneční paprsky.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Hua Lu, docent biologických věd, University of Maryland, Baltimore County
Linda Wiratan, BS Studentka Biochemie a Molekulární Biologie, University of Maryland, Baltimore County
