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研究植物中的昼夜节律及其病原体可能会为人们提供精准医学

黄昏时,罗望子树的叶子关闭,等待另一个黎明。Androsthenes是一位在亚历山大大帝统治下服役的船长,他在公元前四世纪对这些叶子运动做了第一次书面记录。

研究植物中的昼夜节律及其病原体可能会为人们提供精准医学

经过数个世纪更长的时间才能发现他描述生理的影响时钟。这种内部时间感应机制允许许多生物体跟踪时间并协调它们在24小时循环中的行为。它遵循地球日常轮换的常规日/夜和季节周期。到目前为止,昼夜节律研究取得了进展,2017年诺贝尔生理学或医学奖被授予开创性的工作,该工作阐明了昼夜节律的分子基础。

像我们这样的生物学家正在研究植物中的生物钟,以了解它们如何影响地球上所有生命的健康和福祉。随着研究人员不断更多地了解这些时钟如何工作 - 包括它们如何影响宿主与其入侵的病原体和害虫之间的相互作用- 新形式的特殊定时精确医学可能即将出现。

我们隐藏的起搏器

来自生命的三个领域的生物具有惊人的昼夜节律多样性。看似简单的蓝细菌在白天和黑夜之间交替进行光合作用。真菌脉孢菌(Neurospora crassa)每天早晨在黎明前产生孢子。迁徙的帝王蝶在他们的年度迁徙中使用精致的太阳罗盘。几乎人类活动的每个方面都受到生物钟的影响 - 如果你跨越时区或从事轮班工作,你可以很容易地看到这一点。

昼夜节律背后的驱动力是科学家称之为生物钟的中央振荡器,这是一个精心设计的基因网络,可以打开和关闭彼此的活动。它们共同构成了复杂的反馈回路,可以准确地校准时间。

虽然各个时钟基因在生命领域并不总是相同,但中央振荡器的反馈机制是。这种机制可以作为一种开关,使生物体的日常活动与昼夜波动和其他环境变化同步。这种惊人的平衡行为反映了生物体在一天中预测不断变化的环境的能力。

精确的计时和健康

经过良好校准的生物钟对于生长和健康至关重要,这就是为什么生物钟与环境线索的错位会导致多样化和影响深远的健康问题。一些人类疾病,包括糖尿病,肥胖症,心血管疾病和一些精神疾病,如抑郁症和双相情感障碍,可能与生物钟与环境不同步有关。

越来越多的证据也将生物钟与植物健康联系起来。特别是,植物科学家已经证明,适当调整的生物钟对植物抗病毒和病虫害的数量非常重要。虽然植物不产生抗体或使用专门的免疫细胞来抵御入侵者,但它们的免疫系统的某些方面与我们的相似。由于生长和遗传操作它们是多么容易,一些植物,如拟南芥,是研究生物钟如何影响植物一旦感染后疾病结果的理想系统。

植物病原体相互作用全天候

植物不动,在遇到病原体和害虫时必须战略性地分配其有限的能量和资源。他们拥有完善的防御时间,能够在攻击发生之前预测可能的攻击,并调整对真实攻击者的防御反应。

植物防御的最前沿是表面上的。物理特征如毛状体,伸出的小毛发,保护性地覆盖植物,以及蜡涂层阻止入侵者粘附在表面上。植物表面还有许多称为气孔的嘴状毛孔。通常,气孔在白天有节奏地打开并且在夜间关闭,这是由生物钟控制的过程,预期光和湿度变化。虽然这个过程对于光合作用和水交换很重要,但是开放的气孔可以被一些病原体用作进入植物组织内的养分和空间的门户,并且关闭气孔限制病原体入侵。

除了前线物理屏障外,植物还开发了复杂的监测系统,以检测病原体和害虫作为入侵者。当细胞表面受体识别病原体时,植物立即在入侵部位关闭其气孔。功能失调的生物钟会损害气孔关闭,导致更严重的疾病。

进一步的病原体识别将警报信号深入植物组织,激活防御反应库,包括基因表达的重编程,抗微生物化合物的产生和防御信号的增强。即使在没有病原体的情况下,许多这些反应显示出受生物钟影响的低但有节奏的变化。当真正的攻击到来时,植物每天的防御系统排练确保了强大而协调的及时防御。时钟错位的植物屈服于攻击。

工厂计时防御的一个很好的例子来自杜克大学的新年东集团。Hyaloperonospora arabidopsidis是一种病原体,它在早晨传播其毒性孢子并在拟南芥植物中引起疾病。Dong的小组优雅地表明,拟南芥通过在黎明时表达一组防御基因来预测这种攻击,从而抵抗病原体。当研究人员破坏拟南芥生物钟时,它取消了今天早上的防御并使植物更容易受到影响。

植物还依靠及时的防御来对抗昆虫。例如,卷心菜在黄昏前具有最高的摄食活动。珍妮特布拉姆在莱斯大学的研究小组所做的精彩工作表明拟南芥生产的防御信号激素茉莉酸在中午达到峰值以预期这次袭击。当昆虫真正发作时,生物钟促进这个中午防御,产生更多的茉莉酸以抑制昆虫摄食。

钟表成双成对跳舞?

从这些例子中可以看出,病原体和害虫有自己的生物钟,并用它们来确定活跃的最佳时间。这种能力如何影响他们对宿主的入侵?到目前为止,研究人员还不确定病原体和害虫时钟是否与宿主的时钟相协调。如果是,他们的同步方式可以决定他们互动的结果。

目前的证据表明,一些真核微生物,如Hyaloperonospora arabidopsidis和Botrytis cinerea,能够操纵拟南芥生物钟。尽管缺乏规范的中央振荡器,即使是原核假单胞菌(如丁香假单胞菌)也会以各种方式干扰植物钟。

在人类和小鼠中,一些肠道微生物群每天振荡,这取决于宿主生物钟。有趣的是,肠道微生物群能够重新编程主机时钟。这种transkingdom沟通是如何发生的?它如何影响宿主和微生物相互作用的结果?这一领域的研究代表了主人入侵者动态的迷人和未开发的水平。

作为治疗师和助手的时钟

将时间线索与发展和对环境攻击的响应相结合的能力是一种进化适应。植物向生物学家讲授了许多关于昼夜节律及其在调节从发育到防御的一切事物中的作用。

时钟研究为将这些知识应用于包括人类在内的其他系统提供了机会。我们如何修改某些防御功能的日常循环以增强免疫力而不会引起发育压力?一天中哪些时候我们最容易受某些病原体的影响?对于各种病原体和害虫,一天中最具侵入性的时间是什么?

对这些问题的回答将有助于揭示宿主 - 病原体/害虫相互作用,不仅在植物中,而且在人群中。最终,这些知识可以促进精确药物的设计,这些药物的定制是为了促进个人及时防御各种病原体和害虫。此外,我们对植物抗病性的理解将有助于农业控制病原体和害虫,减轻作物损失的全球挑战。

正在进行的研究继续揭示昼夜节律的影响如何像太阳的光线一样无限延伸。

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