Het lichaam van het organisme heeft niet alleen een biologische klok die de tijd van de dag kan aflezen, maar ook de tijd van het jaar. Onderzoekers uit Japan hebben ontdekt dat één capabel klein molecuul mogelijk achter het mechanisme zit waarmee de biologische klok de seizoenen bijhoudt.

In een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in PLOS Biology , onthullen onderzoekers van de Universiteit van Osaka dat glutamaatsignalering verantwoordelijk is voor de seizoensgebonden regulatie van reproductie bij bonenwantsen door genen die betrokken zijn bij het handhaven van het circadiane ritme.

Het circadiane ritme wordt aangedreven door een biologische klok die lichaamsprocessen regelt op basis van het tijdstip van de dag. Een verwant proces is de gevoeligheid van de fotoperiode, of seizoensregulatie, waarbij lichaamsprocessen op seizoensbasis worden gereguleerd op basis van de lengte van de dag- en nachtperioden.

"Eerdere studies hebben aangetoond dat circadiane klokgenen niet alleen betrokken zijn bij het reguleren van dagelijkse processen, maar ook bij het reguleren van seizoensgebonden gebeurtenissen, zoals reproductie bij insecten", zegt Masaharu Hasebe, eerste auteur van het onderzoek. "Het mechanisme voor deze interactie was echter onduidelijk."

Om dit aan te pakken, richtten de onderzoekers zich op glutamaat, een neurotransmitter die betrokken is bij het overbrengen van een breed scala aan signalen in de hersenen van veel dieren, van ongewervelde dieren tot zoogdieren. Met behulp van bonenwantsen, een handig model van circadiaanse klokgerelateerde seizoensritmes, werd een hersenglutamaatniveau bepaald in verschillende fotoperiodieke omstandigheden die verband houden met de seizoensgebonden voortplantingscyclus en als reactie op interferentie met circadiane klokgenen.

"De resultaten waren heel duidelijk", legt Sakiko Shiga, senior auteur van de studie, uit. "Extracellulaire glutamaatniveaus in de hele hersenen waren significant hoger onder omstandigheden van een korte dag dan onder omstandigheden van een lange dag, en het uitschakelen van de genperiode van de klok maakte dit verschil teniet."

Directe verlaging of verhoging van glutamaatniveaus in de hersenen van bonen, verminderde ook seizoen-specifieke veranderingen in reproductieve status. Bovendien verstoorde het verlagen of verhogen van glutamaatniveaus de fotoperiodieke reacties van pars intercerebralis-neuronen, die doorgaans hun neurale activiteit per seizoen veranderen en het leggen van eieren bevorderen.

"Onze resultaten laten zien dat extracellulaire glutamaatdynamiek wordt gereguleerd door klokgenen en een essentiële rol speelt in de fotoperiodieke controle van reproductie", zegt Hasebe.

Aangezien glutamaat veel wordt gebruikt voor neurotransmissie bij dieren, van insecten tot zoogdieren, hebben de bevindingen van deze studie implicaties die verder gaan dan de biologie van bonen. Het is mogelijk dat verder onderzoek naar deze nieuw ontdekte mechanistische link tussen de circadiane klok en de fotoperiode-regulatie ons begrip van seizoensadaptatie bij een groot aantal dieren zal vergroten.

Het artikel, "Clock-gen-dependent glutamaat dynamics in the bean bug brain reguleren photoperiodic reproductie" werd gepubliceerd in PLOS Biology . + Verder verkennen

Seizoensgebondenheid van de hersenen:neuronen van de Bean Bug hebben een biologisch klokgen nodig voor het leggen van seizoensgebonden eieren