Bij zonsondergang, de bladeren van de tamarindeboom sluiten, wachtend op een nieuwe dageraad. Androsthenes, een scheepskapitein die onder Alexander de Grote diende, maakte het eerste schriftelijke verslag van deze bladbewegingen in de vierde eeuw voor Christus.

Het duurde eeuwen voordat hij ontdekte dat hij de effecten van de circadiane klok beschreef. Dit interne tijdwaarnemende mechanisme stelt veel levende organismen in staat om de tijd bij te houden en hun gedrag te coördineren in 24-uurs cycli. Het volgt de normale dag/nacht- en seizoenscycli van de dagelijkse rotatie van de aarde. Het circadiaanse onderzoek is zo ver gevorderd dat de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde 2017 werd toegekend voor het baanbrekende werk dat de moleculaire basis van circadiaanse ritmes heeft opgehelderd.

Biologen zoals wij bestuderen de circadiane klokken in planten om inzicht te krijgen in hoe ze de gezondheid en het welzijn van al het leven op aarde beïnvloeden. Naarmate onderzoekers meer ontrafelen over hoe deze klokken werken - inclusief hoe ze de interacties tussen gastheren en hun binnendringende ziekteverwekkers en plagen beïnvloeden - zouden nieuwe vormen van speciaal getimede precisiegeneeskunde aan de horizon kunnen komen.

Onze verborgen pacemaker

Organismen uit alle drie de levensdomeinen bezitten een verbazingwekkende diversiteit aan circadiaanse ritmes. Schijnbaar eenvoudig cyanobacteriën afwisselend fotosynthetische activiteit tussen dag en nacht. de schimmel Neurospora crassa produceert elke ochtend net voor zonsopgang sporen. Trekkende monarchvlinders gebruiken een delicaat zonnekompas bij hun jaarlijkse migratie. Bijna elk aspect van menselijke activiteit wordt beïnvloed door de circadiane klok - je kunt dit gemakkelijk in jezelf zien als je door tijdzones vliegt of in ploegendienst werkt.

De drijvende kracht achter circadiane ritmes is wat wetenschappers de centrale oscillator van de circadiane klok noemen, een uitgebreid netwerk van genen die elkaars activiteit aan- en uitzetten. Samen, ze vormen complexe feedbackloops die de tijd nauwkeurig kalibreren.

Hoewel individuele klokgenen niet altijd hetzelfde zijn in alle domeinen van het leven, het terugkoppelingsmechanisme van de centrale oscillator is. Dit mechanisme fungeert als een schakelaar om de dagelijkse activiteiten van een organisme te synchroniseren met dag- en nachtschommelingen en andere veranderingen in de omgeving. Dergelijke verbazingwekkende evenwichtsoefeningen weerspiegelen het vermogen van organismen om gedurende de dag te anticiperen op veranderende omgevingen.

Nauwkeurige tijdwaarneming en gezondheid

Een goed gekalibreerde circadiane klok is van cruciaal belang voor groei en fitheid, daarom veroorzaakt een verkeerde uitlijning van de circadiane klok met omgevingssignalen diverse en verstrekkende gezondheidsproblemen. Sommige menselijke ziekten, inclusief suikerziekte, zwaarlijvigheid, hart- en vaatziekten en sommige psychiatrische stoornissen zoals depressie en bipolaire stoornis, zijn waarschijnlijk gekoppeld aan circadiane klokken die niet synchroon lopen met de omgeving.

Toenemend bewijs koppelt ook de circadiane klok aan de gezondheid van planten. Vooral, plantenwetenschappers hebben aangetoond dat een goed afgestemde circadiane klok belangrijk is voor de weerstand van planten tegen allerlei ziekteverwekkers en plagen. Hoewel planten geen antilichamen produceren of gespecialiseerde immuuncellen gebruiken om indringers af te weren, sommige aspecten van hun immuunsysteem lijken op het onze. Omdat het zo gemakkelijk is om ze te kweken en genetisch te manipuleren, sommige planten, Leuk vinden Arabidopsis , dienen als ideale systemen om te onderzoeken hoe de circadiane klok de uitkomst van ziekten in eenmaal geïnfecteerde planten beïnvloedt.

Plant-pathogeen interacties de klok rond

Planten, onbeweeglijk zijn, moeten hun beperkte energie en middelen strategisch inzetten wanneer ze worden geconfronteerd met ziekteverwekkers en plagen. Ze hebben het geavanceerde vermogen om hun verdediging te timen, waardoor ze kunnen anticiperen op mogelijke aanvallen voordat ze plaatsvinden en de verdedigingsreacties op echte aanvallers kunnen moduleren.

De voorhoede van plantenverdediging bevindt zich aan de oppervlakte. Fysieke kenmerken zoals trichomen, kleine haartjes die uitsteken, een plant beschermend afdekken, en wascoatings weerhouden indringers ervan zich aan het oppervlak te hechten. Het plantoppervlak heeft ook tal van mondachtige poriën die huidmondjes worden genoemd. Normaal gesproken, huidmondjes gaan overdag ritmisch open en sluiten 's nachts, een proces dat wordt gereguleerd door de circadiane klok in afwachting van veranderingen in licht en vochtigheid. Hoewel dit proces belangrijk is voor fotosynthese en wateruitwisseling, het openen van huidmondjes kan door sommige pathogenen worden gebruikt als portalen om toegang te krijgen tot voedingsstoffen en ruimte in het plantenweefsel en het sluiten van huidmondjes om de invasie van pathogenen te beperken.

Voorbij de fysieke barrières in de frontlinie, planten hebben complexe bewakingssystemen ontwikkeld om ziekteverwekkers en plagen als indringers te detecteren. Wanneer celoppervlakreceptoren een pathogeen herkennen, de plant sluit onmiddellijk haar huidmondjes op de invasieplaats. Disfunctionele circadiane klokken verslechteren de stomatale sluiting, met een ernstiger ziekte tot gevolg.

Verdere herkenning van pathogenen stuurt waarschuwingssignalen diep in het plantenweefsel, het activeren van een arsenaal aan verdedigingsreacties, inclusief herprogrammering van genexpressie, productie van antimicrobiële verbindingen en versterking van afweersignalering. Zelfs als er geen ziekteverwekkers zijn, veel van deze reacties vertonen lage maar ritmische veranderingen die worden beïnvloed door de circadiane klok. Als er een echte aanval komt, de dagelijkse repetitie van hun verdedigingssystemen door de planten zorgt voor een sterke en gecoördineerde tijdige verdediging. Planten met verkeerd uitgelijnde klokken bezwijken voor de aanval.

Een uitstekend voorbeeld van een plant die zijn verdediging afstemt, is afkomstig van de groep van Xinnian Dong aan de Duke University. Hyaloperonospora arabidopsidis is een ziekteverwekker die 's morgens zijn virulente sporen verspreidt en ziekte veroorzaakt in Arabidopsis planten. Dong's groep liet dat op elegante wijze zien: Arabidopsis anticipeert op deze aanval door bij zonsopgang een reeks afweergenen tot expressie te brengen die weerstand bieden tegen de ziekteverwekker. Toen de onderzoekers de Arabidopsis biologische klok, het schafte vanmorgen de verdediging af en maakte de plant vatbaarder.

Planten zijn ook afhankelijk van tijdige verdediging om insecten te bestrijden. Bijvoorbeeld, koolloopers hebben een piekvoeding voor de schemering. Mooi werk van de groep van Janet Braam aan de Rice University liet dat zien Arabidopsis produceert het afweersignaleringshormoon jasmonzuur met een piek 's middags in afwachting van deze aanval. Wanneer de insecten daadwerkelijk toeslaan, de circadiane klok versterkt deze middagverdediging, het produceren van meer jasmonzuur om het eten van insecten te remmen.

Dansen klokken in paren?

Zoals uit deze voorbeelden blijkt, ziekteverwekkers en plagen hebben hun eigen circadiane klokken en gebruiken deze om de beste tijd te bepalen om actief te zijn. Hoe beïnvloedt dit vermogen hun invasies van gastheren? Tot dusver, onderzoekers weten niet zeker of de klokken van ziekteverwekkers en plagen zijn afgestemd op die van de gastheer. Als zij zijn, hun hoe synchroon ze zijn, zou de uitkomst van hun interacties kunnen bepalen.

Het huidige bewijs geeft aan dat sommige eukaryote microben, zoals Hyaloperonospora arabidopsidis en Botrytis cinerea , kunnen manipuleren Arabidopsis biologische klok. Zelfs prokaryotische pathogenen, Leuk vinden Pseudomonas syringae , ondanks het ontbreken van een canonieke centrale oscillator, kan op verschillende manieren interfereren met plantenklokken.

Bij mensen en muizen sommige populaties van de darmflora schommelen dagelijks, afhankelijk van de circadiane klok van de gastheer. interessant, darmmicrobiota zijn in staat om de gastheerklok te herprogrammeren. Hoe vindt deze transkingdom-communicatie plaats? Hoe kan het de uitkomst van interacties tussen gastheer en microbe beïnvloeden? Onderzoek op dit gebied vertegenwoordigt een fascinerend en onontgonnen niveau van host-invader dynamiek.

De klok als genezer en helper

Het vermogen om tijdsignalen te integreren met ontwikkeling en reacties op omgevingsaanvallen is een evolutionaire aanpassing. Planten hebben biologen veel geleerd over circadiaanse ritmes en hun rol bij het moduleren van alles, van ontwikkeling tot verdediging.

Klokonderzoek heeft de mogelijkheid geopend om deze kennis toe te passen op andere systemen, inclusief mensen. Hoe kunnen we de dagelijkse cyclus van bepaalde afweerfuncties aanpassen om de immuniteit te verbeteren zonder ontwikkelingsstress te veroorzaken? Op welke tijdstippen van de dag zijn we het meest vatbaar voor bepaalde ziekteverwekkers? Wat zijn de meest invasieve tijden van de dag voor verschillende ziekteverwekkers en plagen?

Antwoorden op dit soort vragen helpen bij het ontrafelen van interacties tussen gastheer en ziekteverwekker, niet alleen bij planten maar ook bij mensen. uiteindelijk, deze kennis kan bijdragen aan het ontwerp van precisiegeneesmiddelen die zijn toegesneden op het stimuleren van tijdige verdediging bij individuele mensen om te vechten tegen verschillende pathogenen en plagen. In aanvulling, ons begrip van resistentie tegen plantenziekten zal de landbouw helpen bij de bestrijding van ziekteverwekkers en plagen, het verminderen van de wereldwijde uitdaging van oogstverlies.

Lopend onderzoek onthult nog steeds hoe de invloed van circadiane ritmes zich zo grenzeloos uitstrekt als de zonnestralen.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.