I skymningen, tamarindträdets blad stänger, väntar på ännu en gryning. Androsthenes, en fartygskapten under Alexander den store, gjorde den första skriftliga redogörelsen för dessa lövrörelser på 300-talet f.Kr.

Det tog århundraden längre att upptäcka att han beskrev effekterna av dygnsklockan. Denna interna tidsavkänningsmekanism gör att många levande organismer kan hålla reda på tiden och koordinera sina beteenden längs 24-timmarscykler. Den följer de vanliga dag/natt- och säsongscyklerna för jordens dagliga rotation. Dygnsforskningen har kommit så långt att 2017 års Nobelpris i fysiologi eller medicin delades ut för det banbrytande arbete som belyst den molekylära grunden bakom dygnsrytmer.

Biologer som vi studerar dygnsurets klockor i växter för att få inblick i hur de påverkar hälsan och välbefinnandet för allt liv på jorden. När forskare fortsätter att reda ut mer om hur dessa klockor fungerar – inklusive hur de påverkar interaktioner mellan värdar och deras invaderande patogener och skadedjur – kan nya former av speciellt tidsbestämd precisionsmedicin vara på gång.

Vår dolda pacemaker

Organismer från livets alla tre områden har en fantastisk mångfald av dygnsrytmer. Till synes enkelt Cyanobakterier alternerande fotosyntetisk aktivitet mellan dag och natt. Svampen Neurospora crassa producerar sporer varje morgon strax före gryningen. Migrationsmonarkfjärilar använder en känslig solkompass i sin årliga migration. Nästan varje aspekt av mänsklig aktivitet påverkas av dygnsklockan – du kan lätt se detta på dig själv om du flyger över tidszoner eller ägnar dig åt skiftarbete.

Drivkraften bakom dygnsrytmen är vad forskare kallar dygnsurets centrala oscillator, ett genomarbetat nätverk av gener som slår på och av varandras aktivitet. Tillsammans, de bildar komplexa återkopplingsslingor som exakt kalibrerar tiden.

Även om individuella klockgener inte alltid är desamma över livets domäner, återkopplingsmekanismen för den centrala oscillatorn är. Denna mekanism fungerar som en switch för att synkronisera en organisms dagliga aktiviteter med dag- och nattfluktuationer och andra miljöförändringar. Sådana fantastiska balansgångar speglar organismernas förmåga att förutse förändrade miljöer under hela dagen.

Exakt tidtagning och hälsa

En välkalibrerad dygnsrytm är avgörande för tillväxt och kondition, vilket är anledningen till att dygnsklockans felinriktning med miljösignaler orsakar olika och långtgående hälsoproblem. Vissa mänskliga sjukdomar, inklusive diabetes, fetma, kardiovaskulära sjukdomar och vissa psykiatriska störningar som depression och bipolär sjukdom, är sannolikt kopplade till dygnsklockor som inte är synkroniserade med omgivningen.

Allt fler bevis kopplar också dygnsklockan till växthälsa. Särskilt, växtforskare har visat att en korrekt inställd dygnsklocka är viktig för växtsjukdomsresistens mot mängder av patogener och skadedjur. Även om växter inte producerar antikroppar eller använder specialiserade immunceller för att avvärja inkräktare, vissa aspekter av deras immunförsvar liknar vårt. På grund av hur lätt det är att odla och genetiskt manipulera dem, några växter, tycka om Arabidopsis , fungera som idealiska system för att undersöka hur dygnsklockan påverkar resultatet av sjukdomar i växter när de väl har infekterats.

Växt-patogen interaktioner dygnet runt

Växter, vara orörlig, måste strategiskt allokera sin begränsade energi och resurser när de står inför patogener och skadedjur. De har den sofistikerade förmågan att ta tid på sitt försvar, vilket gör att de kan förutse troliga attacker innan de inträffar och modulera försvarssvar till riktiga angripare.

Växtförsvarets framkant ligger på ytan. Fysiska egenskaper som trikomer, små hår som sticker ut, skyddande täcka en växt, och vaxbeläggningar avskräcker inkräktare från att fastna på ytan. Växtytan har också många munliknande porer som kallas stomata. I vanliga fall, stomata öppnas rytmiskt på dagen och stänger på natten, en process som regleras av dygnsklockan i väntan på ljus- och fuktförändringar. Även om denna process är viktig för fotosyntes och vattenutbyte, öppna stomata kan användas av vissa patogener som portaler för att komma åt näringsämnen och utrymme inuti växtvävnaden och stängande stomata begränsar patogeninvasion.

Bortom frontlinjen fysiska barriärer, växter har utvecklat komplexa övervakningssystem för att upptäcka patogener och skadedjur som inkräktare. När cellytreceptorer känner igen en patogen, växten stänger omedelbart sin stomata vid invasionsplatsen. Dysfunktionella dygns klockor försämrar stomatal stängning, vilket leder till svårare sjukdom.

Ytterligare patogenigenkänning skickar varningssignaler djupt in i växtvävnaden, aktivera en arsenal av försvarssvar, inklusive omprogrammering av genuttryck, produktion av antimikrobiella föreningar och förbättring av försvarssignalering. Även i frånvaro av patogener, många av dessa svar visar låga men rytmiska förändringar som påverkas av dygnet runt. När en riktig attack kommer, plantornas dagliga repetition av deras försvarssystem säkerställer ett starkt och samordnat försvar i rätt tid. Växter med feljusterade klockor ger efter för attacken.

Ett utmärkt exempel på en anläggning som tar tid på sitt försvar kommer från Xinnian Dongs grupp vid Duke University. Hyaloperonospora arabidopsidis är en patogen som sprider sina virulenta sporer på morgonen och orsakar sjukdom i Arabidopsis växter. Det visade Dongs grupp elegant Arabidopsis förutser denna attack genom att uttrycka en uppsättning försvarsgener i gryningen som ger resistens mot patogenen. När forskarna störde Arabidopsis dygnsrytm klocka, det avskaffade i morse försvaret och gjorde växten mer mottaglig.

Växter förlitar sig också på tidigt försvar för att bekämpa insekter. Till exempel, kålslingor har toppmatningsaktivitet före skymningen. Vackert arbete av Janet Braams grupp vid Rice University visade det Arabidopsis producerar försvarssignalhormonet jasmonsyra med en topp vid middagstid i väntan på denna attack. När insekterna verkligen slår till, dygnsklockan ökar detta middagsförsvar, producerar mer jasmonsyra för att hämma insektsmatning.

Dansar klockor i par?

Som framgår av dessa exempel, patogener och skadedjur har sina egna dygnsklockor och använder dem för att bestämma den bästa tiden att vara aktiv. Hur påverkar denna förmåga deras invasioner av värdar? Än så länge, forskare är inte säkra på om patogen- och skadedjursklockor är samordnade med värdens. Om dem är, hur synkroniserade de är kan avgöra resultatet av deras interaktioner.

Nuvarande bevis tyder på att vissa eukaryota mikrober, Till exempel Hyaloperonospora arabidopsidis och Botrytis cinerea , kan manipulera Arabidopsis dygnsklocka. Även prokaryota patogener, tycka om Pseudomonas syringae , trots att den saknar en kanonisk central oscillator, kan störa växtklockorna på olika sätt.

Hos människor och möss, vissa populationer av tarmmikrobiota svänger dagligen, beroende på värd dygnet runt. Intressant, tarmmikrobioter kan omprogrammera värdklockan. Hur sker denna transkingdomskommunikation? Hur kan det påverka resultatet av värd- och mikrobinteraktioner? Forskning inom detta område representerar en fascinerande och outforskad nivå av värd-invader-dynamik.

Klockan som helare och hjälpare

Förmågan att integrera tidsreferenser med utveckling och svar på miljöangrepp är en evolutionär anpassning. Växter har lärt biologer mycket om dygnsrytmer och deras roll i att modulera allt från utveckling till försvar.

Klockforskning har öppnat en möjlighet att tillämpa denna kunskap på andra system, inklusive människor. Hur kan vi ändra den dagliga cyklingen av vissa försvarsfunktioner för att förbättra immuniteten utan att orsaka utvecklingsstress? Vilka tider på dygnet är vi mest mottagliga för vissa patogener? Vilka är de mest invasiva tiderna på dygnet för olika patogener och skadedjur?

Svar på frågor som dessa kommer att hjälpa till att reda ut värd-patogen/skadedjursinteraktioner, inte bara i växter utan även i människor. I sista hand, denna kunskap skulle kunna bidra till utformningen av precisionsläkemedel som är skräddarsydda för att stärka ett snabbt försvar hos enskilda människor för att bekämpa olika patogener och skadedjur. Dessutom, vår förståelse av resistens mot växtsjukdomar kommer att underlätta jordbrukets kontroll av patogener och skadedjur, mildra den globala utmaningen med skördeförlust.

Pågående forskning fortsätter att avslöja hur påverkan av dygnsrytmer sträcker sig lika gränslöst som solens strålar.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.