Organismens kropp har inte bara en biologisk klocka som kan visa tiden på dygnet, den kan också visa tiden på året. Forskare från Japan har funnit att en kapabel liten molekyl kan ligga bakom mekanismen genom vilken den biologiska klockan håller reda på årstiderna.

I en studie som nyligen publicerades i PLOS Biology , avslöjar forskare från Osaka University att glutamatsignalering är ansvarig för den säsongsbetonade regleringen av reproduktion hos bönbugs av gener som är involverade i att upprätthålla dygnsrytmen.

Dygnsrytmen drivs av en biologisk klocka som styr kroppens processer baserat på tid på dygnet. En relaterad process är fotoperiodkänslighet, eller säsongsreglering, där kroppsprocesser regleras på säsongsbasis baserat på längden på dag- och nattperioderna.

"Tidigare studier har visat att dygnsrytmklockgener inte bara är involverade i att reglera dagliga processer, utan också i att reglera säsongsbetonade händelser, såsom reproduktion hos insekter", säger Masaharu Hasebe, första författare till studien. "Däremot var mekanismen som styrde denna interaktion oklart."

För att ta itu med detta fokuserade forskarna på glutamat, en neurotransmittor som är involverad i att överföra en mängd olika signaler i hjärnan hos många djur, från ryggradslösa djur till däggdjur. Med hjälp av bean bugs, en bekväm modell av dygnsklockrelaterade säsongsrytmer, utvärderades en hjärnglutamatnivå under olika fotoperiodiska förhållanden relaterade till den säsongsbetonade reproduktionscykeln och som svar på interferens med dygnsklocksgener.

"Resultaten var mycket tydliga", förklarar Sakiko Shiga, senior författare till studien. "Extracellulära glutamatnivåer i hela hjärnan var signifikant högre under korta dagar än under långa dagar, och genom att slå ner klockgenperioden avskaffades denna skillnad."

Att direkt minska eller öka glutamatnivåerna i bönbugshjärnor minskade också säsongsspecifika förändringar i reproduktiv status. Dessutom störde en minskning eller ökning av glutamatnivåerna de fotoperiodiska svaren från pars intercerebralis-neuroner, som vanligtvis ändrar sin neurala aktivitet säsongsmässigt och främjar äggläggning.

"Våra resultat visar att extracellulär glutamatdynamik regleras av klockgener och spelar en viktig roll i den fotoperiodiska kontrollen av reproduktionen", säger Hasebe.

Med tanke på att glutamat används i stor utsträckning för neurotransmission hos djur, från insekter till däggdjur, har resultaten från denna studie implikationer utöver bönbugsbiologi. Det är möjligt att ytterligare studier som undersöker denna nyupptäckta mekanistiska koppling mellan dygnsklockan och reglering av fotoperioder kommer att främja vår förståelse av säsongsanpassning hos ett brett spektrum av djur.

Artikeln "Clock-gene-dependent glutamate dynamics in the bean bug brain regulate photoperiodic reproduction" publicerades i PLOS Biology . + Utforska vidare

Hjärnans säsongsvariation:Bönbugsneuroner behöver en biologisk klockgen för säsongsbetonad äggläggning