Изучение циркадных ритмов у растений и их патогенов может привести к прецизионной медицине для людей
Циркадные часы — это внутренний механизм восприятия времени, позволяющий многим живым организмам отслеживать время и координировать поведение в соответствии с 24-часовыми циклами, следующими за сменой дня и ночи. За открытие молекулярных механизмов, лежащих в основе этих ритмов, в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии или медицине.
Наш скрытый водитель ритма
Циркадные ритмы есть у организмов всех трёх доменов жизни. Их движущая сила — центральный осциллятор циркадных часов, сложная сеть генов, которые включают и выключают активность друг друга, образуя петли обратной связи. Хотя конкретные гены часов у разных организмов могут отличаться, сам механизм обратной связи центрального осциллятора сохраняется.
Точный ход времени и здоровье
Хорошо откалиброванные циркадные часы критически важны для роста и жизнеспособности. Их рассогласование с внешними сигналами вызывает серьёзные проблемы со здоровьем. У людей такие заболевания, как диабет, ожирение, сердечно-сосудистые и некоторые психические расстройства (депрессия, биполярное расстройство), вероятно, связаны с нарушением работы циркадных часов.
У растений правильно настроенные часы также важны для устойчивости к патогенам и вредителям. Растения, такие как Arabidopsis, служат идеальной моделью для изучения этого влияния.
Взаимодействие растений и патогенов в течение суток
Растения стратегически распределяют энергию и ресурсы для защиты. Их циркадные часы позволяют предвосхищать атаки и модулировать ответ на реальных агрессоров.
- Физические барьеры: Устьица — поры на поверхности растений — ритмично открываются днём и закрываются ночью под контролем часов. Хотя открытие важно для фотосинтеза, некоторые патогены используют устьица как входные ворота. Нарушение работы часов ухудшает закрытие устьиц при обнаружении патогена, усиливая болезнь.
- Системы наблюдения и защиты: При распознавании патогена активируется арсенал защитных реакций: перепрограммирование экспрессии генов, выработка антимикробных соединений, усиление защитных сигналов. Многие из этих реакций демонстрируют слабые ритмичные изменения даже в отсутствие патогена, что похоже на «ежедневную репетицию» защиты. Когда происходит реальная атака, это обеспечивает сильный и своевременный ответ.
Примеры:
- Патоген Hyaloperonospora arabidopsidis распространяет споры утром. Arabidopsis предвосхищает это, экспрессируя набор защитных генов на рассвете. Нарушение циркадных часов растения отменяет эту утреннюю защиту и повышает восприимчивость.
- Гусеницы капустной совки наиболее активны перед закатом. Arabidopsis вырабатывает защитный гормон жасмоновую кислоту с пиком в полдень в ожидании атаки. При реальном нападении часы усиливают эту полуденную защиту.
Синхронизированы ли часы друг с другом?
Патогены и вредители также имеют свои циркадные часы и используют их для определения оптимального времени активности. Пока неясно, синхронизированы ли их часы с часами растения-хозяина, и как это влияет на исход взаимодействия.
Известно, что некоторые эукариотические микробы (например, Hyaloperonospora arabidopsidis и Botrytis cinerea) могут манипулировать часами Arabidopsis. Даже прокариотические патогены, такие как Pseudomonas syringae, не имеющие канонического центрального осциллятора, способны влиять на растительные часы.
У людей и мышей некоторые популяции микробиоты кишечника колеблются в течение суток в зависимости от часов хозяина. При этом микробиота способна перепрограммировать часы хозяина. Исследование этого трансцарственного взаимодействия — увлекательная и малоизученная область.
Часы как целитель и помощник
Исследования часов открывают возможности для применения этих знаний в других системах, включая человека. Ключевые вопросы:
- Как можно модифицировать суточные циклы защитных функций для усиления иммунитета без стресса для развития?
- В какое время суток мы наиболее восприимчивы к определённым патогенам?
- Когда различные патогены и вредители наиболее инвазивны?
Ответы на эти вопросы помогут раскрыть взаимодействие «хозяин–патоген/вредитель» не только у растений, но и у людей. В конечном итоге это может привести к созданию прецизионных лекарств, усиливающих своевременную защиту конкретного человека. Кроме того, понимание устойчивости растений к болезням поможет в сельскохозяйственном контроле патогенов, смягчая глобальную проблему потери урожая.