In der Abenddämmerung schließen sich die Blätter des Tamarindenbaums und warten auf eine neue Morgendämmerung. Androsthenes, ein Schiffskapitän, der unter Alexander dem Großen diente, schrieb zum ersten Mal über diese Blattbewegungen im vierten Jahrhundert vor Christus
Es dauerte Jahrhunderte, bis er herausfand, dass er die Auswirkungen der circadianen Uhr beschrieb. Dieser interne Zeiterkennungsmechanismus ermöglicht es vielen lebenden Organismen, die Zeit zu verfolgen und ihr Verhalten in 24-Stunden-Zyklen zu koordinieren. Es folgt den regelmäßigen Tages- / Nacht- und Saisonzyklen der täglichen Erdrotation. Die zirkadiane Forschung ist so weit fortgeschritten, dass der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2017 für die bahnbrechenden Arbeiten verliehen wurde, die die molekularen Grundlagen des zirkadiane Rhythmus aufklärten.
Biologen wie wir untersuchen die circadianen Uhren in Pflanzen, um herauszufinden, wie sie die Gesundheit und das Wohlbefinden allen Lebens auf der Erde beeinflussen. Während die Forscher immer mehr darüber nachdenken, wie diese Uhren funktionieren - einschließlich der Beeinflussung der Interaktionen zwischen Wirten und ihren eindringenden Krankheitserregern und Schädlingen -, könnten sich neue Formen der zeitlich genau abgestimmten Präzisionsmedizin abzeichnen.
Unser versteckter Schrittmacher
Organismen aus allen drei Lebensbereichen besitzen eine erstaunliche Vielfalt an circadianen Rhythmen. Scheinbar einfache Cyanobakterien wechseln die photosynthetische Aktivität zwischen Tag und Nacht ab. Der Pilz Neurospora crassa bildet jeden Morgen kurz vor Sonnenaufgang Sporen. Zugmonarchfalter verwenden bei ihrer jährlichen Wanderung einen empfindlichen Sonnenkompass. Nahezu jeder Aspekt des menschlichen Handelns wird von der circadianen Uhr beeinflusst - Sie können dies leicht an sich selbst erkennen, wenn Sie über Zeitzonen fliegen oder Schichtarbeit leisten.
Die treibende Kraft hinter den circadianen Rhythmen ist der Zentraloszillator der circadianen Uhr, ein ausgeklügeltes Netzwerk von Genen, die die Aktivität des anderen ein- und ausschalten. Zusammen bilden sie komplexe Rückkopplungsschleifen, die die Zeit genau kalibrieren.
Obwohl einzelne Clock-Gene in verschiedenen Lebensbereichen nicht immer gleich sind, ist der Rückkopplungsmechanismus des Zentraloszillators derselbe. Dieser Mechanismus dient als Schalter, um die täglichen Aktivitäten eines Organismus mit Tag- und Nachtschwankungen und anderen Umweltveränderungen zu synchronisieren. Solche erstaunlichen Balanceakte spiegeln die Fähigkeit der Organismen wider, sich im Laufe des Tages verändernde Umgebungen zu antizipieren.
Präzise Zeitmessung und Gesundheit
Eine gut kalibrierte circadiane Uhr ist für Wachstum und Fitness von entscheidender Bedeutung, weshalb eine Fehlausrichtung der circadianen Uhr mit Umweltmerkmalen zu vielfältigen und weitreichenden Gesundheitsproblemen führt. Einige Krankheiten des Menschen, darunter Diabetes, Fettleibigkeit, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und einige psychiatrische Störungen wie Depressionen und bipolare Störungen, sind wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die zirkadianen Uhren nicht mit der Umwelt synchron sind.
Pflanzen mit einer mutierten circadianen Uhr (rechts) wiesen nach Infektion durch einen Pilz viel mehr Schäden auf als die normalen Pflanzen (links). (Hua Lu, CC BY-ND) Zunehmende Evidenz verbindet auch die circadiane Uhr mit der Pflanzengesundheit. Pflanzenwissenschaftler haben insbesondere gezeigt, dass eine richtig abgestimmte Tageszeit für die Widerstandsfähigkeit gegen Pflanzenkrankheiten gegen Arrays von Krankheitserregern und Schädlingen wichtig ist. Obwohl Pflanzen keine Antikörper produzieren oder spezialisierte Immunzellen verwenden, um Eindringlinge abzuwehren, ähneln einige Aspekte ihres Immunsystems unserem. Aufgrund der einfachen Anbaubarkeit und der genetischen Manipulation dienen einige Pflanzen wie Arabidopsis als ideale Systeme, um zu untersuchen, wie die circadiane Uhr den Ausgang von Krankheiten bei einmal infizierten Pflanzen beeinflusst.
Pflanzen-Krankheitserreger-Wechselwirkungen rund um die Uhr
Pflanzen, die unbeweglich sind, müssen ihre begrenzte Energie und Ressourcen strategisch einsetzen, wenn sie mit Krankheitserregern und Schädlingen konfrontiert sind. Sie haben die ausgeklügelte Fähigkeit, ihre Verteidigung zeitlich abzustimmen, wodurch sie wahrscheinliche Angriffe vorhersehen und die Verteidigungsreaktionen auf echte Angreifer modulieren können.
Stomata sind kleine Poren auf der Pflanzenoberfläche, die sich öffnen und schließen können. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) Die Spitze des Pflanzenschutzes liegt auf der Oberfläche. Physikalische Merkmale wie Trichome, hervorstehende kleine Haare, die eine Pflanze schützen, und Wachsbeschichtungen halten Eindringlinge davon ab, sich an der Oberfläche festzusetzen. Die Pflanzenoberfläche hat auch zahlreiche mundähnliche Poren, die Stomata genannt werden. Normalerweise öffnen sich die Stomata am Tag rhythmisch und schließen sich in der Nacht, ein Prozess, der von der circadianen Uhr in Erwartung von Licht- und Feuchtigkeitsänderungen reguliert wird. Während dieser Prozess für die Photosynthese und den Wasseraustausch wichtig ist, können einige Krankheitserreger die Öffnung der Stomata als Portale nutzen, um Zugang zu Nährstoffen und Raum im Pflanzengewebe zu erhalten.
Über die physischen Grenzen hinaus haben Pflanzen komplexe Überwachungssysteme entwickelt, um Krankheitserreger und Schädlinge als Eindringlinge zu erkennen. Wenn Zelloberflächenrezeptoren einen Erreger erkennen, schließt die Pflanze sofort ihre Stomata an der Invasionsstelle. Dysfunktionale circadiane Uhren beeinträchtigen den Verschluss des Stomatums und führen zu einer schwereren Erkrankung.
Die weitere Erkennung von Krankheitserregern sendet Alarmsignale tief in das Pflanzengewebe, die ein Arsenal von Abwehrreaktionen auslösen, einschließlich der Neuprogrammierung der Genexpression, der Produktion von antimikrobiellen Verbindungen und der Verstärkung der Abwehrsignale. Selbst in Abwesenheit von Krankheitserregern zeigen viele dieser Reaktionen geringe, aber rhythmische Veränderungen, die von der Tageszeit beeinflusst werden. Wenn ein echter Angriff eintrifft, sorgt die tägliche Wiederholung der Verteidigungssysteme der Pflanzen für eine starke und konzertierte rechtzeitige Verteidigung. Pflanzen mit falsch ausgerichteten Uhren erliegen dem Angriff.
Ein hervorragendes Beispiel für eine Anlage, die ihre Verteidigung zeitlich steuert, stammt von Xinnian Dongs Gruppe an der Duke University. Hyaloperonospora arabidopsidis ist ein Krankheitserreger, der morgens seine virulenten Sporen verbreitet und bei Arabidopsis- Pflanzen Krankheiten verursacht. Dongs Gruppe zeigte elegant, dass Arabidopsis diesen Angriff vorwegnimmt, indem sie im Morgengrauen eine Reihe von Abwehrgenen exprimiert, die Resistenzen gegen den Erreger hervorrufen. Als die Forscher die zirkadiane Uhr von Arabidopsis störten, hob sie heute Morgen die Verteidigung auf und machte die Pflanze anfälliger.
Pflanzen sind auch auf die rechtzeitige Abwehr von Insekten angewiesen. Zum Beispiel haben Kohlschleifer eine Spitzenfütterungsaktivität vor der Dämmerung. Schöne Arbeiten von Janet Braams Gruppe an der Rice University zeigten, dass Arabidopsis das Abwehrsignalhormon Jasmonic Acid produziert, dessen Höhepunkt im Vorfeld dieses Angriffs am Mittag liegt. Wenn die Insekten tatsächlich zuschlagen, verstärkt die circadiane Uhr diese Mittagsabwehr und produziert mehr Jasmonsäure, um die Insektenfütterung zu hemmen.
Tanzen Uhren zu zweit?
Wie aus diesen Beispielen hervorgeht, haben Krankheitserreger und Schädlinge ihre eigenen circadianen Uhren und bestimmen anhand dieser die beste Aktivitätszeit. Wie wirkt sich diese Fähigkeit auf die Invasion von Hosts aus? Bisher sind sich die Forscher nicht sicher, ob die Erreger- und Schädlingsuhren auf die des Wirts abgestimmt sind. Wenn dies der Fall ist, kann ihre Synchronität das Ergebnis ihrer Interaktionen bestimmen.
Aktuelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass einige eukaryotische Mikroben wie Hyaloperonospora arabidopsidis und Botrytis cinerea die zirkadiane Uhr von Arabidopsis manipulieren können. Sogar prokaryotische Krankheitserreger wie Pseudomonas syringae können, obwohl sie keinen kanonischen Zentraloszillator besitzen, auf verschiedene Weise die Pflanzenuhren stören.
Bei Menschen und Mäusen schwanken einige Populationen von Darmflora täglich, abhängig von der circadianen Uhr des Wirts. Interessanterweise sind Darmflora in der Lage, die Wirtsuhr neu zu programmieren. Wie erfolgt diese Transkingdom-Kommunikation? Wie kann es das Ergebnis von Wirt- und Mikrobeninteraktionen beeinflussen? Die Forschung in diesem Bereich ist ein faszinierendes und unerforschtes Maß an Host-Invader-Dynamik.
Gute zeitliche Abläufe in Pflanzen - wie die vor Jahrtausenden von Androsthenes festgestellten schließenden Blätter des Tamarindenbaums - könnten uns letztendlich helfen, präzisere Medikamente zu entwickeln. (oraphan_nan / Shutterstock.com) Die Uhr als Heiler und Helfer
Die Fähigkeit, Zeitstempel in die Entwicklung und Reaktionen auf Umwelteinflüsse zu integrieren, ist eine evolutionäre Anpassung. Pflanzen haben Biologen viel über zirkadiane Rhythmen und ihre Rolle bei der Modulation von Entwicklung bis Verteidigung beigebracht.
Die Uhrenforschung hat die Möglichkeit eröffnet, dieses Wissen auf andere Systeme, einschließlich des Menschen, anzuwenden. Wie können wir den täglichen Zyklus bestimmter Abwehrfunktionen ändern, um die Immunität zu verbessern, ohne Entwicklungsstress zu verursachen? Zu welchen Tageszeiten sind wir am anfälligsten für bestimmte Krankheitserreger? Was sind die invasivsten Tageszeiten für verschiedene Krankheitserreger und Schädlinge?
Antworten auf Fragen wie diese helfen dabei, die Wechselwirkungen zwischen Wirt und Krankheitserreger / Schädling nicht nur bei Pflanzen, sondern auch bei Menschen aufzudecken. Letztendlich könnte dieses Wissen dazu beitragen, Präzisionsmedikamente zu entwickeln, die die rechtzeitige Abwehr einzelner Menschen gegen verschiedene Krankheitserreger und Schädlinge fördern. Darüber hinaus wird unser Verständnis der Resistenz gegen Pflanzenkrankheiten die landwirtschaftliche Bekämpfung von Krankheitserregern und Schädlingen unterstützen und die globale Herausforderung des Ernteverlusts mindern.
Laufende Forschungen zeigen weiterhin, wie sich der Einfluss circadianer Rhythmen so grenzenlos ausdehnt wie die Sonnenstrahlen.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Hua Lu, außerordentlicher Professor für Biowissenschaften, Universität von Maryland, Baltimore County
Linda Wiratan, BS-Studentin für Biochemie und Molekularbiologie, University of Maryland, Baltimore County
