Pada waktu senja, daun-daun pokok asam itu dekat, menunggu subuh lagi. Androsthenes, seorang kapten kapal yang berkhidmat di bawah Alexander the Great, membuat akaun bertulis pertama pergerakan daun pada abad keempat SM
Ia mengambil masa berabad lamanya untuk mengetahui bahawa dia sedang menerangkan kesan jam circadian. Mekanisme pengesan masa dalaman ini membolehkan banyak organisma hidup mengesan masa dan menyelaraskan tingkah laku mereka sepanjang kitaran 24 jam. Ia mengikuti hari biasa / malam dan kitaran bermusim putaran harian Bumi. Penyelidikan Circadian telah maju sejauh ini bahawa 2017 Hadiah Nobel dalam fisiologi atau perubatan dianugerahkan untuk kerja-kerja pecah tanah yang menjelaskan asas molekul asas rentak sirkadian.
Ahli biologi seperti kita sedang mengkaji jam circadian dalam tumbuh-tumbuhan untuk wawasan ke dalam bagaimana mereka memberi kesan kepada kesihatan dan kesejahteraan semua kehidupan di bumi. Sebagai penyelidik terus membongkar lebih lanjut mengenai bagaimana jam ini berfungsi - termasuk bagaimana mereka mempengaruhi interaksi antara tuan rumah dan patogen dan penyerang mereka yang menyerang - bentuk baru ubat ketepatan masa yang tepat boleh berada di cakrawala.
Perentas jantung tersembunyi kami
Organisme dari ketiga-tiga bidang kehidupan mempunyai kepelbagaian irama sirkadian yang luar biasa. Seolah-olah Cyanobacteria mudah bergilir aktiviti fotosintesis antara siang dan malam. Kulat Neurospora crassa menghasilkan spora setiap pagi sebelum subuh. Kupu-kupu raja monarki menggunakan kompas matahari yang halus dalam penghijrahan tahunan mereka. Hampir setiap aspek aktiviti manusia dipengaruhi oleh jam circadian - anda boleh melihat ini dalam diri anda jika anda terbang merentasi zon masa atau melibatkan diri dalam kerja-kerja syif.
Kekuatan pendorong di belakang irama sirkadian adalah apa yang dipanggil ahli-ahli saintifik pengayun pusat jam circadian, rangkaian gen yang rumit yang menghidupkan dan mematikan aktiviti masing-masing. Bersama-sama, mereka membentuk gelung maklum balas yang kompleks yang menentukur masa yang tepat.
Walaupun gen jam individu tidak selalu sama di seluruh domain kehidupan, mekanisme umpan balik pengayun pusat adalah. Mekanisme ini bertindak sebagai suis untuk menyegerakkan aktiviti harian organisma dengan turun naik hari dan malam dan perubahan alam sekitar yang lain. Tindakan menyeimbangkan yang menakjubkan ini mencerminkan kebolehan organisma untuk menjangka persekitaran yang berubah sepanjang hari.
Ketepatan masa dan kesihatan yang tepat
Jam circadian yang diselaraskan dengan baik adalah penting untuk pertumbuhan dan kesesuaian, oleh sebab itu, misalignment jam sirkadian dengan isyarat alam sekitar menyebabkan masalah kesihatan yang pelbagai dan luas. Sesetengah penyakit manusia, termasuk diabetes, obesiti, penyakit kardiovaskular dan beberapa gangguan psikiatri seperti kemurungan dan gangguan bipolar, mungkin dikaitkan dengan jam sirkadian yang tidak selari dengan alam sekitar.
Selepas jangkitan kulat, tumbuh-tumbuhan dengan jam mingguan circadian (kanan) menunjukkan lebih banyak kerosakan daripada tumbuh-tumbuhan biasa (kiri). (Hua Lu, CC BY-ND) Peningkatan bukti juga menghubungkan jam circadian untuk menanam kesihatan. Khususnya, saintis tumbuhan telah menunjukkan bahawa jam sirkadian yang ditala dengan betul adalah penting untuk penentangan penyakit tumbuhan kepada tatasusunan patogen dan perosak. Walaupun tumbuhan tidak menghasilkan antibodi atau menggunakan sel-sel imun khusus untuk menghindari penceroboh, beberapa aspek sistem imun mereka yang sama seperti kami. Kerana betapa mudahnya berkembang dan secara genetik memanipulasi mereka, beberapa tumbuhan, seperti Arabidopsis, berfungsi sebagai sistem yang ideal untuk menyiasat bagaimana jam circadian mempengaruhi hasil penyakit dalam tumbuhan yang pernah dijangkiti.
Interaksi tumbuhan-patogen sepanjang masa
Tumbuhan, yang tidak bergerak, mesti secara strategik memperuntukkan tenaga dan sumber terhad mereka apabila berhadapan dengan patogen dan perosak. Mereka mempunyai keupayaan canggih untuk mempertahankan masa mereka, yang membolehkan mereka untuk menjangkakan kemungkinan serangan sebelum mereka berlaku dan memodulasi respons pertahanan kepada penyerang sebenar.
Stomata adalah liang-liang kecil di permukaan tumbuhan yang boleh dibuka dan ditutup. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) Penyerang pertahanan tanaman berada di permukaan. Ciri-ciri fizikal seperti trichomes, bulu kecil yang melekat, protectively meliputi tumbuhan, dan salutan lilin menghalang penceroboh dari berpaut ke permukaan. Permukaan tumbuhan juga mempunyai banyak liang seperti mulut yang dipanggil stomata. Biasanya, stomata berirama terbuka pada siang hari dan ditutup pada waktu malam, suatu proses yang dikawal oleh jam circadian dengan menjangkakan perubahan cahaya dan kelembapan. Walaupun proses ini penting untuk fotosintesis dan pertukaran air, pembukaan stomata boleh digunakan oleh sesetengah patogen sebagai portal untuk mengakses nutrien dan ruang di dalam tisu tumbuhan dan menutup stomata menyekat serangan patogen.
Di luar halangan fizikal barisan hadapan, tumbuh-tumbuhan telah mengembangkan sistem pengawasan kompleks untuk mengesan patogen dan perosak sebagai penceroboh. Apabila reseptor permukaan sel mengiktiraf patogen, kilang itu segera menutup stomata di tapak pencerobohan. Jam circadian yang tidak berfungsi menjejaskan penutupan stomatal, mengakibatkan penyakit yang lebih teruk.
Pengiktirafan patogen yang lebih lanjut menghantar isyarat isyarat jauh ke dalam tisu tumbuhan, mengaktifkan senjata pertahanan balas, termasuk pemrograman semula ekspresi gen, pengeluaran sebatian antimikroba dan penambahan isyarat pertahanan. Walaupun dalam ketiadaan patogen, banyak respons ini menunjukkan perubahan yang rendah tetapi berirama yang dipengaruhi oleh jam circadian. Apabila serangan sebenar tiba, latihan harian tumbuhan terhadap sistem pertahanan mereka memastikan pertahanan yang kuat dan konsisten tepat pada masanya. Tumbuhan dengan jam yang tidak tepat menyerah kepada serangan.
Satu contoh yang sangat baik mengenai masa tumbuhan pertahanannya adalah dari kumpulan Xinnian Dong di Duke University. Hyaloperonospora arabidopsidis adalah patogen yang menyebarkan spora- virulennya pada waktu pagi dan menyebabkan penyakit di tumbuhan Arabidopsis . Kumpulan Dong elegan menunjukkan bahawa Arabidopsis menjangkakan serangan ini dengan melahirkan satu set gen pertahanan pada waktu subuh yang memberikan rintangan terhadap patogen. Apabila para penyelidik mengganggu jam circadian Arabidopsis, ia membatalkan pertahanan pagi ini dan menjadikan tumbuhan lebih mudah.
Tumbuhan juga bergantung pada pertahanan tepat pada masanya untuk melawan serangga. Sebagai contoh, pengumpul kubis mempunyai aktiviti pemakanan puncak sebelum senja. Kerja yang indah oleh kumpulan Janet Braam di Rice University menunjukkan bahawa Arabidopsis menghasilkan asid jasmonik hormon isyarat pertahanan dengan puncak pada tengah hari dengan harapan serangan ini. Apabila serangga benar-benar mogok, jam circadian meningkatkan pertahanan tengah hari ini, menghasilkan lebih banyak asid jasmonik untuk menghalang makan serangga.
Adakah jam menari berpasangan?
Seperti yang dilihat dari contoh-contoh ini, patogen dan perosak mempunyai jam circadian sendiri dan menggunakannya untuk menentukan masa terbaik untuk menjadi aktif. Bagaimanakah keupayaan ini mempengaruhi serangan tuan rumah mereka? Setakat ini, penyelidik tidak pasti sama ada jam patogen dan perosak diselaraskan kepada tuan rumah. Sekiranya mereka berada, bagaimana mereka boleh menyelaraskan hasil interaksi mereka.
Bukti terkini menunjukkan bahawa beberapa mikrob eukariotik, seperti Hyaloperonospora arabidopsidis dan Botrytis cinerea, dapat memanipulasi jam circadian Arabidopsis . Walaupun patogen prokariotik, seperti Pseudomonas syringae, walaupun kekurangan pengikis pusat kanonik, boleh mengganggu jam tumbuhan dalam pelbagai cara.
Pada manusia dan tikus, sesetengah populasi mikrobiota usus berayun setiap hari, bergantung pada jam sirkadian tuan rumah. Menariknya, mikrobiota usus mampu reprogramning jam tuan rumah. Bagaimana komunikasi transkingdom ini berlaku? Bagaimanakah ia mempengaruhi hasil interaksi tuan rumah dan mikroba? Penyelidikan di kawasan ini mewakili tahap dinamik penyerbu tuan rumah yang menarik dan belum diterokai.
Tindakan yang tepat pada masa di tumbuh-tumbuhan - seperti daun penutup pokok asam yang diperhatikan oleh Androsthenes millennia yang lalu - akhirnya dapat membantu kami merancang ubat-ubatan yang lebih tepat. (oraphan_nan / Shutterstock.com) Jam sebagai penyembuh dan pembantu
Keupayaan untuk mengintegrasikan isyarat masa dengan pembangunan dan tanggapan terhadap serangan alam sekitar adalah penyesuaian evolusi. Tumbuhan telah mengajar biolog banyak mengenai irama circadian dan peranan mereka dalam memodulasi segalanya dari pembangunan ke pertahanan.
Kajian jam telah membuka peluang untuk menerapkan pengetahuan ini kepada sistem lain, termasuk manusia. Bagaimanakah kita boleh mengubah cara berbasikal harian ciri-ciri pertahanan tertentu untuk meningkatkan imuniti tanpa menyebabkan tekanan pembangunan? Berapa kali kita paling mudah terdedah kepada patogen tertentu? Apakah masa yang paling invasif untuk pelbagai patogen dan perosak?
Jawapan kepada soalan-soalan seperti ini akan membantu menguraikan interaksi antara patogen / perosak, bukan hanya pada tumbuh-tumbuhan tetapi juga pada manusia. Akhirnya, pengetahuan ini boleh menyumbang kepada reka bentuk ubat ketepatan yang disesuaikan dengan meningkatkan pertahanan tepat pada masanya orang perseorangan untuk melawan pelbagai patogen dan perosak. Di samping itu, kefahaman kita mengenai rintangan penyakit tumbuhan akan membantu kawalan pertanian patogen dan perosak, mengurangkan cabaran global kehilangan tanaman.
Penyelidikan berterusan terus mendedahkan bagaimana pengaruh irama sirkadian memanjang tanpa sinar matahari.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Hua Lu, Profesor Madya Sains Biologi, University of Maryland, Baltimore County
Linda Wiratan, Pelajar Biokimia dan Biologi Molekul BS, University of Maryland, Baltimore County
