In de schemering sluiten de bladeren van de tamarindeboom, wachtend op een nieuwe dageraad. Androsthenes, een kapitein onder Alexander de Grote, maakte het eerste schriftelijke verslag van deze bladbewegingen in de vierde eeuw voor Christus
Het duurde eeuwen langer om te ontdekken dat hij de effecten van de circadiane klok beschreef. Met dit interne tijdsdetectiemechanisme kunnen veel levende organismen de tijd bijhouden en hun gedrag coördineren gedurende 24-uurscycli. Het volgt de normale dag / nacht- en seizoenscycli van de dagelijkse rotatie van de aarde. Circadiaans onderzoek is zo ver gevorderd dat de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde in 2017 werd uitgereikt voor het baanbrekende werk dat de moleculaire basis van circadiane ritmes heeft opgehelderd.
Biologen zoals wij bestuderen de circadiane klokken in planten voor inzicht in hoe ze de gezondheid en het welzijn van al het leven op aarde beïnvloeden. Naarmate onderzoekers meer blijven ontwarren over hoe deze klokken werken - inclusief hoe ze de interacties tussen gastheren en hun binnendringende ziekteverwekkers en plagen beïnvloeden - kunnen nieuwe vormen van speciaal getimed precisiegeneeskunde aan de horizon komen.
Onze verborgen pacemaker
Organismen uit alle drie domeinen van het leven bezitten een verbazingwekkende diversiteit aan circadiane ritmes. Ogenschijnlijk eenvoudige Cyanobacteriën wisselen fotosyntheseactiviteit af tussen dag en nacht. De schimmel Neurospora crassa produceert elke ochtend net voor zonsopgang sporen. Migrerende monarchvlinders gebruiken een delicaat zonnekompas in 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 in- en uitschakelen. Samen vormen ze complexe feedbacklussen die de tijd nauwkeurig kalibreren.
Hoewel individuele klokgenen niet altijd hetzelfde zijn in alle levensdomeinen, is het feedbackmechanisme van de centrale oscillator dat wel. Dit mechanisme fungeert als een schakelaar om de dagelijkse activiteiten van een organisme te synchroniseren met dag- en nachtschommelingen en andere omgevingsveranderingen. Dergelijke verbazingwekkende evenwichtsoefeningen weerspiegelen het vermogen van organismen om gedurende de dag op veranderende omstandigheden te anticiperen.
Nauwkeurige tijdregistratie en gezondheid
Een goed gekalibreerde circadiane klok is van cruciaal belang voor groei en fitheid, daarom veroorzaakt een verkeerde afstemming van de circadiane klok met signalen uit de omgeving diverse en verstrekkende gezondheidsproblemen. Sommige menselijke ziekten, waaronder diabetes, obesitas, hart- en vaatziekten en sommige psychiatrische aandoeningen zoals depressie en bipolaire stoornis, zijn waarschijnlijk gekoppeld aan circadiane klokken die niet synchroon lopen met de omgeving.
Na infectie door een schimmel vertoonden planten met een mutante circadiane klok (rechts) veel meer schade dan de normale planten (links). (Hua Lu, CC BY-ND) Toenemend bewijsmateriaal verbindt ook de circadiane klok met de gezondheid van planten. In het bijzonder hebben plantwetenschappers aangetoond dat een goed afgestemde circadiane klok belangrijk is voor de resistentie van plantenziektes tegen arrays van ziekteverwekkers en plagen. Hoewel planten geen antilichamen produceren of gespecialiseerde immuuncellen gebruiken om indringers af te weren, zijn sommige aspecten van hun immuunsysteem vergelijkbaar met de onze. Vanwege hoe gemakkelijk het is om ze te laten groeien en genetisch te manipuleren, dienen sommige planten, zoals Arabidopsis, als ideale systemen om te onderzoeken hoe de circadiane klok de uitkomst van ziekten in planten beïnvloedt zodra ze besmet zijn.
Plant-pathogeen interacties de klok rond
Omdat planten onbeweeglijk zijn, moeten ze hun beperkte energie en hulpbronnen strategisch toewijzen wanneer ze worden geconfronteerd met ziekteverwekkers en plagen. Ze hebben het geavanceerde vermogen om hun verdediging te timen, waardoor ze kunnen anticiperen op waarschijnlijke aanvallen voordat ze plaatsvinden en de verdedigingsreacties kunnen moduleren op echte aanvallers.
Huidmondjes zijn kleine poriën op het oppervlak van de plant die kunnen openen en sluiten. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) De voorhoede van plantverdediging bevindt zich aan de oppervlakte. Fysieke kenmerken zoals trichomen, kleine haartjes die uitsteken, een plant beschermend bedekken en waxcoatings voorkomen dat indringers zich vastklampen aan het oppervlak. Het plantoppervlak heeft ook tal van mondachtige poriën, huidmondjes genaamd. Normaal gesproken openen huidmondjes ritmisch overdag en sluiten ze 's nachts, een proces dat wordt geregeld door de circadiane klok in afwachting van veranderingen in licht en vochtigheid. Hoewel dit proces belangrijk is voor fotosynthese en wateruitwisseling, kan het openen van huidmondjes door sommige pathogenen worden gebruikt als portalen voor toegang tot voedingsstoffen en ruimte in het plantenweefsel en sluiten huidmondjes de invasie van ziekteverwekkers beperken.
Naast fysieke barrières in de frontlinie hebben planten complexe surveillancesystemen ontwikkeld om ziekteverwekkers en plagen als indringers te detecteren. Wanneer celoppervlakreceptoren een ziekteverwekker herkennen, sluit de plant onmiddellijk zijn huidmondjes op de invasielocatie. Disfunctionele circadiane klokken verminderen de stomatale sluiting, wat resulteert in een ernstiger ziekte.
Verdere pathogeenherkenning stuurt alarmsignalen diep in het plantenweefsel, waardoor een arsenaal aan afweerreacties wordt geactiveerd, waaronder herprogrammering van genexpressie, productie van antimicrobiële verbindingen en verbetering van afweersignalering. Zelfs in afwezigheid van ziekteverwekkers, vertonen veel van deze reacties lage maar ritmische veranderingen die worden beïnvloed door de circadiane klok. Wanneer een echte aanval aankomt, zorgt de dagelijkse repetitie van de planten voor hun verdedigingssysteem voor een sterke en gecoördineerde tijdige verdediging. Planten met verkeerd uitgelijnde klokken bezwijken voor de aanval.
Een uitstekend voorbeeld van de timing van een plant die wordt verdedigd, is afkomstig van de groep van Xinnian Dong aan de Duke University. Hyaloperonospora arabidopsidis is een ziekteverwekker die zijn virulente sporen in de ochtend verspreidt en ziekten veroorzaakt in Arabidopsis- planten. De groep van Dong toonde elegant aan dat Arabidopsis op deze aanval anticipeert door bij het aanbreken van de dag een aantal verdedigingsgenen tot expressie te brengen die weerstand bieden tegen de ziekteverwekker. Toen de onderzoekers de circadiane klok van Arabidopsis ontwrichtten, schafte het deze ochtendverdediging af en maakte de plant vatbaarder.
Planten vertrouwen ook op tijdige afweer om insecten te bestrijden. Koolloopvogels hebben bijvoorbeeld piekvoedingsactiviteit vóór de schemering. Prachtig werk van de groep van Janet Braam aan de Rice University toonde aan dat Arabidopsis het afweer signaalhormoon jasmonzuur produceert met een piek om 12.00 uur in afwachting van deze aanval. Wanneer de insecten daadwerkelijk toeslaan, verhoogt de circadiane klok deze middagverdediging, waardoor meer jasmonzuur wordt geproduceerd om het voeden van insecten te remmen.
Dansen klokken in paren?
Zoals uit deze voorbeelden blijkt, hebben ziekteverwekkers en plagen hun eigen circadiane klokken en gebruiken deze om de beste tijd om actief te zijn te bepalen. Welke invloed heeft dit vermogen op hun invasies van hosts? Tot nu toe weten onderzoekers niet zeker of klokken van pathogenen en plagen zijn afgestemd op die van de gastheer. Als dat zo is, kan hun hoe ze synchroon zijn de uitkomst van hun interacties bepalen.
Huidig bewijs geeft aan dat sommige eukaryote microben, zoals Hyaloperonospora arabidopsidis en Botrytis cinerea, in staat zijn om de circidiaanse klok van Arabidopsis te manipuleren. Zelfs prokaryotische pathogenen, zoals Pseudomonas syringae, kunnen ondanks het ontbreken van een canonieke centrale oscillator, plantklokken op verschillende manieren verstoren.
Bij mensen en muizen oscilleren sommige populaties van darmflora dagelijks, afhankelijk van de circadiane klok van de gastheer. Interessant is dat darmflora de hostklok kunnen herprogrammeren. Hoe vindt deze transkingdom-communicatie plaats? Hoe kan het de uitkomst van gastheer- en microbe-interacties beïnvloeden? Onderzoek op dit gebied vertegenwoordigt een fascinerend en onontgonnen niveau van gastheer-indringer dynamiek.
Goed getimede acties in planten - zoals de sluitbladeren van de tamarindeboom die millennia geleden door Androsthenes werden opgemerkt - kunnen ons uiteindelijk helpen om preciezere medicijnen te ontwerpen. (Oraphan_nan / Shutterstock.com) De klok als genezer en helper
De mogelijkheid om tijdsindicaties te integreren met ontwikkeling en reacties op omgevingsaanvallen is een evolutionaire aanpassing. Planten hebben biologen veel geleerd over circadiane ritmes en hun rol in het moduleren van alles, van ontwikkeling tot verdediging.
Uit klokonderzoek is een mogelijkheid ontstaan om deze kennis toe te passen op andere systemen, waaronder mensen. Hoe kunnen we de dagelijkse cyclus van bepaalde verdedigingsfuncties aanpassen om de immuniteit te verbeteren zonder ontwikkelingsstress te veroorzaken? Op welke tijden 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 vragen als deze helpen bij het ontrafelen van interacties tussen gastheer en pathogeen / ongedierte, niet alleen bij planten, maar ook bij mensen. Uiteindelijk zou deze kennis kunnen bijdragen aan het ontwerp van precisiegeneesmiddelen die zijn afgestemd op het stimuleren van tijdige afweer bij individuele mensen om te vechten tegen verschillende ziekteverwekkers en plagen. Bovendien zal ons begrip van resistentie tegen plantenziekten bijdragen tot de bestrijding van ziekteverwekkers en plagen in de landbouw, waardoor de wereldwijde uitdaging van het verlies van gewassen wordt beperkt.
Lopend onderzoek blijft onthullen hoe de invloed van circadiane ritmes zich even grenzeloos uitstrekt als de zonnestralen.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Hua Lu, universitair hoofddocent biologische wetenschappen, Universiteit van Maryland, Baltimore County
Linda Wiratan, BS Student biochemie en moleculaire biologie, Universiteit van Maryland, Baltimore County
