В сумерках листья дерева тамаринда закрываются, ожидая еще одного рассвета. Андростен, капитан корабля под командованием Александра Македонского, сделал первый письменный отчет об этих движениях листьев в четвертом веке до нашей эры.
Потребовались века, чтобы обнаружить, что он описывает эффекты циркадных часов. Этот внутренний механизм измерения времени позволяет многим живым организмам отслеживать время и координировать свое поведение в течение 24-часовых циклов. Это следует за регулярными дневными / ночными и сезонными циклами ежедневного вращения Земли. Циркадные исследования продвинулись настолько далеко, что Нобелевская премия 2017 года в области физиологии и медицины была присуждена за новаторскую работу, которая выяснила молекулярную основу, лежащую в основе циркадных ритмов.
Такие биологи, как мы, изучают циркадные часы на растениях, чтобы понять, как они влияют на здоровье и благополучие всей жизни на Земле. По мере того, как исследователи продолжают больше размышлять о том, как работают эти часы, в том числе о том, как они влияют на взаимодействие между хозяевами и их патогенными микроорганизмами и вредителями, на горизонте могут появиться новые формы высокоточной медицины с определенным временем.
Наш скрытый кардиостимулятор
Организмы из всех трех областей жизни обладают удивительным разнообразием циркадных ритмов. Казалось бы, простые цианобактерии чередуют фотосинтетическую активность между днем и ночью. Гриб Neurospora crassa производит споры каждое утро незадолго до рассвета. Перелетные бабочки-монархи используют тонкий солнечный компас в своей ежегодной миграции. Циркадные часы влияют почти на каждый аспект человеческой деятельности - вы легко можете увидеть это в себе, если летите через часовые пояса или выполняете сменную работу.
Движущая сила циркадных ритмов - это то, что ученые называют центральным генератором циркадных часов, сложной сетью генов, которые включают и выключают деятельность друг друга. Вместе они образуют сложные петли обратной связи, которые точно калибруют время.
Хотя отдельные гены часов не всегда одинаковы во всех сферах жизни, механизм обратной связи центрального генератора таков. Этот механизм действует как переключатель для синхронизации повседневной деятельности организма с дневными и ночными колебаниями и другими изменениями окружающей среды. Такие удивительные действия балансировки отражают способность организмов предвидеть изменение окружающей среды в течение дня.
Точное время и здоровье
Хорошо откалиброванные циркадные часы имеют решающее значение для роста и физической подготовки, поэтому несовпадение циркадных часов с сигналами окружающей среды вызывает разнообразные и далеко идущие проблемы со здоровьем. Некоторые заболевания человека, включая диабет, ожирение, сердечно-сосудистые заболевания и некоторые психические расстройства, такие как депрессия и биполярное расстройство, вероятно, связаны с несоответствием циркадных часов с окружающей средой.
После заражения грибом растения с мутантными циркадными часами (справа) показали гораздо больший ущерб, чем нормальные растения (слева). (Хуа Лу, CC BY-ND) Все больше фактов также связывает циркадные часы со здоровьем растений. В частности, ученые-ученые показали, что правильно настроенные циркадные часы важны для устойчивости растений к болезням и болезнетворным микроорганизмам. Хотя растения не производят антитела и не используют специализированные иммунные клетки для защиты от захватчиков, некоторые аспекты их иммунной системы похожи на наши. Из-за того, как легко выращивать и генетически манипулировать ими, некоторые растения, такие как Arabidopsis, служат идеальными системами для исследования того, как циркадные часы влияют на исход болезней у растений, однажды зараженных.
Растительно-патогенные взаимодействия круглосуточно
Растения, будучи неподвижными, должны стратегически распределять свои ограниченные энергию и ресурсы при столкновении с патогенами и вредителями. Они обладают изощренной способностью определять время своей защиты, что позволяет им предвидеть вероятные атаки, прежде чем они произойдут, и модулировать защитные реакции реальных атакующих.
Устьица - это маленькие поры на поверхности растения, которые могут открываться и закрываться. (Валентина Морару / Shutterstock.com) Передний край защиты растений находится на поверхности. Физические особенности, такие как трихомы, маленькие волоски, которые торчат, защищают растение и восковые покрытия удерживают захватчиков от попадания на поверхность. Поверхность растения также имеет множество ротовидных пор, называемых устьицами. Обычно устья ритмично открываются днем и закрываются ночью, процесс, регулируемый циркадными часами в ожидании изменений света и влажности. Хотя этот процесс важен для фотосинтеза и водообмена, некоторые патогенные микроорганизмы могут использовать открывающиеся устьицы в качестве порталов для доступа к питательным веществам и пространству внутри ткани растения, а закрывающиеся устьичные клетки ограничивают проникновение патогенов.
Помимо пограничных физических барьеров, на заводах появились сложные системы наблюдения, позволяющие выявлять патогенные микроорганизмы и вредных организмов как нарушителей. Когда рецепторы клеточной поверхности распознают патоген, растение немедленно закрывает свои устьицы в месте инвазии. Дисфункциональные циркадные часы ухудшают закрытие устья, что приводит к более серьезному заболеванию.
Дальнейшее распознавание патогенных микроорганизмов посылает сигналы тревоги вглубь растительной ткани, активируя арсенал защитных реакций, включая перепрограммирование экспрессии генов, продукцию антимикробных соединений и усиление защитных сигналов. Даже в отсутствие патогенов многие из этих ответов показывают низкие, но ритмичные изменения, на которые влияют циркадные часы. Когда наступает настоящая атака, ежедневная репетиция их систем защиты обеспечивает сильную и согласованную своевременную защиту. Растения с выровненными часами поддаются атаке.
Один прекрасный пример того, как завод рассчитал время своей защиты, можно найти в группе Синниана Дуна в университете Дьюка. Hyaloperonospora arabidopsidis - это патоген, который утром распространяет свои вирулентные споры и вызывает заболевание у растений Arabidopsis . Группа Донга изящно показала, что арабидопсис предвидит эту атаку, выражая набор защитных генов на рассвете, который дает сопротивление против патогена. Когда исследователи нарушили циркадные часы Arabidopsis, они отменили защиту этим утром и сделали растение более восприимчивым.
Растения также полагаются на своевременную защиту от насекомых. Например, петрушки капусты имеют пиковую активность кормления до заката. Прекрасная работа группы Джанет Браам в Университете Райса показала, что Arabidopsis производит защитный сигнальный гормон жасмоновая кислота с пиком в полдень в ожидании этой атаки. Когда насекомые действительно бьют, циркадные часы усиливают эту защиту в полдень, производя больше жасмоновой кислоты, чтобы подавить кормление насекомых.
Часы танцуют парами?
Как видно из этих примеров, патогены и вредители имеют свои циркадные часы и используют их, чтобы определить наилучшее время для активности. Как эта способность влияет на их вторжение в хосты? Пока что исследователи не уверены, скоординированы ли часы с патогеном и вредителями от хозяина. Если они есть, то, насколько они синхронизированы, может определить результат их взаимодействия.
Современные данные указывают на то, что некоторые эукариотические микробы, такие как Hyaloperonospora arabidopsidis и Botrytis cinerea, способны манипулировать циркадными часами Arabidopsis . Даже прокариотические патогены, такие как Pseudomonas syringae, несмотря на отсутствие канонического центрального генератора, могут по-разному влиять на часы растений.
У людей и мышей некоторые популяции кишечной микробиоты колеблются ежедневно в зависимости от циркадных часов хозяина. Интересно, что кишечная микробиота способна перепрограммировать часы хозяина. Как происходит это транскордское общение? Как это может повлиять на результат взаимодействия хозяина и микроба? Исследования в этой области представляют собой захватывающий и неизученный уровень динамики хост-захватчик.
Своевременные действия на растениях, такие как закрывающие листья тамаринда, замеченные Андростеном тысячелетия назад, могут в конечном итоге помочь нам разработать более точные лекарства. (Oraphan_nan / Shutterstock.com) Часы как целитель и помощник
Способность интегрировать временные метки с развитием и реакциями на экологические атаки является эволюционной адаптацией. Растения многому научили биологов о циркадных ритмах и их роли в модуляции всего, от развития до защиты.
Часы исследования открыли возможность применить эти знания к другим системам, включая людей. Как мы можем изменить ежедневные циклы определенных защитных функций, чтобы повысить иммунитет, не вызывая стресс развития? В какое время дня мы наиболее подвержены воздействию определенных патогенов? Каковы наиболее инвазивные времена дня для различных патогенных микроорганизмов и вредителей?
Ответы на подобные вопросы помогут раскрыть взаимодействие хозяина с патогеном / вредителем не только на растениях, но и на людях. В конечном счете, эти знания могут способствовать разработке высокоточных лекарств, специально предназначенных для своевременной защиты отдельных людей от различных патогенных микроорганизмов и вредителей. Кроме того, наше понимание устойчивости растений к болезням поможет сельскохозяйственному контролю за патогенами и вредителями, смягчая глобальную проблему потери урожая.
Продолжающиеся исследования продолжают показывать, как влияние циркадных ритмов распространяется так же безгранично, как солнечные лучи.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Хуа Лу, доцент биологических наук, Университет Мэриленда, округ Балтимор
Линда Виратан, бакалавр биохимии и молекулярной биологии, Университет Мэриленда, округ Балтимор
