Videviku ajal lähevad tamarindipuu lehed kinni, oodates järjekordset koitu. Aleksander Suure juhtimisel teeninud laevakapten Androsthenes tegi neist lehtede liikumisest esimese kirjaliku ülevaate neljandal sajandil eKr.
Kulus sajandeid kauem, kuni avastasin, et ta kirjeldas ööpäevase kella mõju. See sisemine aja tuvastamise mehhanism võimaldab paljudel elusorganismidel jälgida aega ja kooskõlastada oma käitumist 24-tunniste tsüklite kaupa. See järgib Maa igapäevase pöörlemise tavapäraseid päevaseid / öiseid ja hooajalisi tsükleid. Ringkonna uuringud on arenenud nii kaugele, et 2017. aasta Nobeli füsioloogia- või meditsiinipreemia anti murrangulise töö eest, mis selgitas ööpäevaste rütmide aluseks olevat molekulaarset alust.
Meiesugused bioloogid uurivad taimede ööpäevaseid kellasid, et saada teavet selle kohta, kuidas need mõjutavad kogu Maa elu tervist ja heaolu. Kuna teadlased jätkavad nende kellade toimimise lahtiharutamist, sealhulgas kuidas nad mõjutavad peremeesorganismide ja nende sissetungijate patogeenide ja kahjurite vahelist koostoimet, võivad silmapiiril olla spetsiaalselt ajastatud täppismeditsiini uued vormid.
Meie varjatud südamestimulaator
Kõigi kolme eluvaldkonna organismidel on ööpäevarütmide hämmastav mitmekesisus. Näiliselt lihtsad tsüanobakterid vahelduvad päeval ja öösel fotosünteesi aktiivsusega. Seen Neurospora crassa tekitab eoseid igal hommikul vahetult enne koitu. Rändavad monarh liblikad kasutavad oma iga-aastases rändes õrna päikesekompassi. Ööpäevane kell mõjutab peaaegu kõiki inimtegevuse aspekte - seda saate hõlpsasti iseendas näha, kui lendate üle ajatsoonide või töötate vahetustega.
Tsirkadiaanrütmide liikumapanev jõud on see, mida teadlased nimetavad tsirkadiaankella keskostsillaatoriks - keerukaks geenide võrgustikuks, mis lülitavad üksteise tegevuse sisse ja välja. Koos moodustavad nad keerulised tagasisideahelad, mis täpsustavad aja täpselt.
Ehkki üksikud kellageenid pole eluvaldkondades alati ühesugused, on keskostsillaatori tagasisidemehhanism siiski olemas. See mehhanism toimib lülitina, et sünkroniseerida organismi igapäevaseid tegevusi päeva- ja öise kõikumisega ning muude keskkonnamuutustega. Sellised hämmastavad tasakaalustavad toimingud kajastavad organismide võimet ette näha muutuvat keskkonda kogu päeva jooksul.
Täpne ajaarvestus ja tervis
Hästi kalibreeritud ööpäevane kell on kasvu ja sobivuse jaoks kriitilise tähtsusega, mistõttu põhjustab ööpäevaringse kella keskkonnamärkidega vale sobitamine mitmesuguseid ja kaugeleulatuvaid terviseprobleeme. Mõned inimeste haigused, sealhulgas diabeet, rasvumine, südame-veresoonkonna haigused ja mõned psühhiaatrilised häired, näiteks depressioon ja bipolaarsed häired, on tõenäoliselt seotud ööpäevase kellaga, mis pole keskkonnaga sünkroonis.
Pärast seene nakatumist näitasid mutantse ööpäevase kellaga taimed (paremal) palju rohkem kahju kui tavalised taimed (vasakul). (Hua Lu, CC BY-ND) Üha enam tõendeid seob ööpäevane kell taimetervisega. Taimeteadlased on eriti näidanud, et korralikult häälestatud ööpäevane kell on oluline taimehaiguste vastupanuvõimele patogeenide ja kahjurite massiividele. Ehkki taimed ei tooda antikehi ega kasuta sissetungijate tõrjumiseks spetsiaalseid immuunrakke, on nende immuunsussüsteemi mõned aspektid sarnased meie omadega. Kuna neid on lihtne kasvatada ja geneetiliselt manipuleerida, on mõned taimed, näiteks Arabidopsis, ideaalseks süsteemiks uurimaks, kuidas ööpäevane kell mõjutab nakatunud taimede haiguste tulemusi.
Taimede ja haigustekitajate interaktsioonid ööpäevaringselt
Liikumatuna olevad taimed peavad patogeenide ja kahjuritega silmitsi seistes strateegiliselt eraldama oma piiratud energia ja ressursid. Neil on keerukas võime oma kaitset ajastada, mis võimaldab neil enne rünnakuid ette näha tõenäolisi rünnakuid ja kohandada kaitsereaktsioone reaalsetele ründajatele.
Stomata on taime pinnal väikesed poorid, mida saab avada ja sulgeda. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) Taimekaitse esirinnas on pinnal. Füüsilised omadused nagu trikooomid, väikesed karvad, mis kleepuvad välja, katavad taime kaitsvalt, ja vahakatted takistavad sissetungijaid pinnale takerdumast. Taime pinnal on ka arvukalt suu sarnaseid poore, mida nimetatakse stomataks. Tavaliselt avanevad stomata päeval rütmiliselt ja suletakse öösel - protsess, mida ööpäevane kell reguleerib valguse ja niiskuse muutuste ootuses. Kuigi see protsess on oluline fotosünteesi ja veevahetuse jaoks, võivad mõned patogeenid kasutada stomata avamist portaalidena toitainete ja taimekoes oleva ruumi ligipääsemiseks ning stomata sulgemine piirab patogeeni sissetungi.
Lisaks reaalsetele füüsilistele tõketele on taimed välja arendanud keerulised seiresüsteemid, et avastada sissetungijatena patogeene ja kahjureid. Kui rakupinna retseptorid tuvastavad patogeeni, sulgeb taim sissetungi kohas kohe oma stomata. Düsfunktsionaalsed ööpäevased kellad kahjustavad stomatiini sulgumist, põhjustades raskemat haigust.
Edasine patogeeni äratundmine saadab hoiatussignaale sügavale taime kudedesse, aktiveerides kaitsereaktsioonide arsenali, sealhulgas geeni ekspressiooni ümberprogrammeerimise, antimikroobsete ühendite tootmise ja kaitsesignalisatsiooni tõhustamise. Isegi patogeenide puudumisel näitavad paljud neist vastustest madalaid, kuid rütmilisi muutusi, mida mõjutab ööpäevaringne kell. Kui saabub tõeline rünnak, tagab taimede igapäevane oma kaitsesüsteemi proovimine tugeva ja kooskõlastatud õigeaegse kaitse. Rünnakule alistuvad valesti paigutatud kelladega taimed.
Üks suurepärane näide taime kaitsmise ajastust on pärit Xinnian Dongi grupist Duke'i ülikoolis. Hyaloperonospora arabidopsidis on patogeen, mis levitab hommikul oma virulentseid eoseid ja põhjustab haigusi Arabidopsise taimedes. Dongi grupp näitas elegantselt, et Arabidopsis ennustab seda rünnakut, avaldades koidikul kaitsegeenide komplekti, mis annab patogeeni vastu resistentsuse. Kui teadlased segasid Arabidopsise ööpäevase kella, kaotas see tänahommikuse kaitse ja muutis taime vastuvõtlikumaks.
Putukate vastu võitlemiseks loodavad taimed ka õigeaegsele kaitsele. Näiteks on kapsapiirituse söötmise aktiivsus enne hämarikku kõige suurem. Janet Braami grupi ilus töö Rice'i ülikoolis näitas, et Arabidopsis toodab kaitsesignalisatsiooni hormooni jasmoonhapet, mille haripunkt on keskpäeval selle rünnaku ootuses. Kui putukad tegelikult löövad, suurendab ööpäevaringne kell seda keskpäeva kaitset, tootes putukate toitmise pärssimiseks rohkem jasmoonhapet.
Kas kellad tantsivad paarikaupa?
Nagu nendest näidetest näha, on patogeenidel ja kahjuritel oma ööpäevased kellad ja nad kasutavad neid aktiivseks saamiseks parima aja kindlaksmääramiseks. Kuidas mõjutab see võime nende sissetungi peremeestesse? Siiani pole teadlased kindlad, kas patogeeni ja kahjurite kellad on peremehe omaga kooskõlastatud. Kui nad on, võiks nende koosmõju tulemuse kindlaks määrata nende sünkroonsus.
Praegused tõendid näitavad, et mõned eukarüootsed mikroobid, näiteks Hyaloperonospora arabidopsidis ja Botrytis cinerea, on võimelised manipuleerima ööpäevase Arabidopsis'e kellaga. Isegi prokarüootsed patogeenid, nagu Pseudomonas syringae, võivad kanoonilise keskostsillaatori puudumisest hoolimata taimekellasid mitmel viisil mõjutada.
Inimestel ja hiirtel võnguvad mõned soolestiku mikrobiota populatsioonid ööpäevas, sõltuvalt peremehe ööpäevast kellaajast. Huvitav on see, et soolestiku mikrobiota on võimeline peremeeskella ümber programmeerima. Kuidas see transkingdom kommunikatsioon toimub? Kuidas saab see mõjutada peremeesorganismi ja mikroobi koostoime tulemusi? Selle valdkonna uuringud tähistavad peremeeste ja sissetungijate dünaamika põnevat ja uurimata taset.
Hästi ajastatud toimingud taimedes - näiteks tamarindipuu sulgemislehed, mida Androsthenes märkas aastatuhandeid tagasi - võiksid lõpuks aidata meil täpsemate ravimite väljatöötamisel. (oraphan_nan / Shutterstock.com) Kell tervendaja ja abistajana
Võimalus integreerida ajatehnikad arenguga ja reageerimisega keskkonnaprobleemidele on evolutsiooniline kohanemine. Taimed on biolooge õpetanud ööpäevaste rütmide kohta ja nende rolli kohta kõigi muutuste kujundamisel alates arengust kuni kaitsmiseni.
Kellauuringud on avanud võimaluse neid teadmisi rakendada ka teistes süsteemides, sealhulgas inimestes. Kuidas saaksime muuta kaitsefunktsioonide igapäevast tsüklit immuunsuse tugevdamiseks ilma arengustressi põhjustamata? Millistel kellaaegadel oleme teatud haigustekitajate suhtes kõige vastuvõtlikumad? Millised on kõige patogeensemad kellaajad erinevate patogeenide ja kahjurite jaoks?
Niisugustele küsimustele vastamine aitab peremehe-patogeeni ja kahjuri koostoimet lahti harutada mitte ainult taimedes, vaid ka inimestes. Lõppkokkuvõttes võiksid need teadmised aidata kaasa täppisravimite väljatöötamisele, mis on kavandatud suurendama üksikute inimeste õigeaegset kaitset erinevate patogeenide ja kahjurite vastu võitlemisel. Lisaks aitab meie arusaam taimehaiguste vastupidavusest patogeenide ja kahjurite põllumajanduse tõrjele leevendada saagi kadumise ülemaailmset väljakutset.
Käimasolevad uuringud näitavad jätkuvalt, kuidas ööpäevaste rütmide mõju ulatub nii piiritult kui päikesekiired.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Hua Lu, Marylandi ülikooli bioloogiateaduste dotsent, Baltimore'i maakond
Linda Wiratan, BS biokeemia ja molekulaarbioloogia tudeng, Marylandi ülikool, Baltimore
