Al crepuscolo, le foglie del tamarindo si chiudono, aspettando un'altra alba. Androstene, un capitano di nave al servizio di Alessandro Magno, fece il primo resoconto scritto di questi movimenti fogliari nel IV secolo a.C.

Ci sono voluti secoli in più per scoprire che stava descrivendo gli effetti dell'orologio circadiano. Questo meccanismo interno di rilevamento del tempo consente a molti organismi viventi di tenere traccia del tempo e coordinare i propri comportamenti lungo cicli di 24 ore. Segue i normali cicli giorno/notte e stagionali della rotazione giornaliera della Terra. La ricerca circadiana è andata avanti così tanto che il Premio Nobel 2017 per la fisiologia o la medicina è stato assegnato per il lavoro innovativo che ha chiarito le basi molecolari alla base dei ritmi circadiani.

I biologi come noi stanno studiando gli orologi circadiani nelle piante per capire come influenzano la salute e il benessere di tutta la vita sulla Terra. Mentre i ricercatori continuano a districare di più su come funzionano questi orologi, compreso il modo in cui influenzano le interazioni tra gli ospiti e i loro agenti patogeni e parassiti invasori, potrebbero essere all'orizzonte nuove forme di medicina di precisione appositamente programmata.

Il nostro pacemaker nascosto

Gli organismi di tutti e tre i domini della vita possiedono una straordinaria diversità di ritmi circadiani. Apparentemente semplice Cianobatteri attività fotosintetica alternata tra giorno e notte. Il fungo Neurospora crassa produce spore ogni mattina poco prima dell'alba. Le farfalle monarca migratrici usano una delicata bussola solare nella loro migrazione annuale. Quasi ogni aspetto dell'attività umana è influenzato dall'orologio circadiano:puoi facilmente vederlo in te stesso se attraversi fusi orari o lavori a turni.

La forza trainante dei ritmi circadiani è ciò che gli scienziati chiamano l'oscillatore centrale dell'orologio circadiano, un'elaborata rete di geni che attivano e disattivano l'attività dell'altro. Insieme, formano complessi circuiti di feedback che calibrano accuratamente il tempo.

Sebbene i singoli geni orologio non siano sempre gli stessi in tutti i domini della vita, il meccanismo di feedback dell'oscillatore centrale è. Questo meccanismo agisce come un interruttore per sincronizzare le attività quotidiane di un organismo con le fluttuazioni diurne e notturne e altri cambiamenti ambientali. Tali incredibili atti di bilanciamento riflettono le capacità degli organismi di anticipare i cambiamenti dell'ambiente durante il giorno.

Cronometraggio preciso e salute

Un orologio circadiano ben calibrato è fondamentale per la crescita e la forma fisica, ecco perché il disallineamento dell'orologio circadiano con i segnali ambientali causa problemi di salute diversi e di vasta portata. Alcune malattie umane, compreso il diabete, obesità, malattie cardiovascolari e alcuni disturbi psichiatrici come la depressione e il disturbo bipolare, sono probabilmente collegati al fatto che gli orologi circadiani non sono sincronizzati con l'ambiente.

Sempre più prove collegano anche l'orologio circadiano alla salute delle piante. In particolare, gli scienziati delle piante hanno dimostrato che un orologio circadiano adeguatamente sintonizzato è importante per la resistenza alle malattie delle piante a una serie di agenti patogeni e parassiti. Sebbene le piante non producano anticorpi o utilizzino cellule immunitarie specializzate per respingere gli invasori, alcuni aspetti del loro sistema immunitario sono simili al nostro. A causa di quanto sia facile coltivarli e manipolarli geneticamente, alcune piante, Come Arabidopsis , servono come sistemi ideali per studiare come l'orologio circadiano influenza l'esito delle malattie nelle piante una volta infettate.

Interazioni pianta-patogeno 24 ore su 24

Impianti, essere immobile, devono allocare strategicamente le loro limitate energie e risorse di fronte a patogeni e parassiti. Hanno la sofisticata capacità di cronometrare la loro difesa, che consente loro di anticipare probabili attacchi prima che si verifichino e di modulare le risposte di difesa ai veri aggressori.

L'avanguardia della difesa delle piante è in superficie. Caratteristiche fisiche come i tricomi, piccoli peli che spuntano, coprire in modo protettivo una pianta, e i rivestimenti in cera scoraggiano gli invasori dall'attaccarsi alla superficie. La superficie della pianta ha anche numerosi pori a forma di bocca chiamati stomi. Normalmente, gli stomi si aprono ritmicamente di giorno e si chiudono di notte, un processo regolato dall'orologio circadiano in previsione dei cambiamenti di luce e umidità. Sebbene questo processo sia importante per la fotosintesi e lo scambio di acqua, l'apertura degli stomi può essere utilizzata da alcuni agenti patogeni come portali per accedere ai nutrienti e allo spazio all'interno del tessuto vegetale e la chiusura degli stomi limita l'invasione dei patogeni.

Al di là delle barriere fisiche in prima linea, le piante hanno sviluppato complessi sistemi di sorveglianza per rilevare agenti patogeni e parassiti come intrusi. Quando i recettori della superficie cellulare riconoscono un agente patogeno, la pianta chiude immediatamente i suoi stomi nel sito di invasione. Gli orologi circadiani disfunzionali compromettono la chiusura stomatica, con conseguente malattia più grave.

L'ulteriore riconoscimento dei patogeni invia segnali di allarme in profondità nel tessuto vegetale, attivare un arsenale di risposte difensive, compresa la riprogrammazione dell'espressione genica, produzione di composti antimicrobici e potenziamento del segnale di difesa. Anche in assenza di agenti patogeni, molte di queste risposte mostrano cambiamenti bassi ma ritmici che sono influenzati dall'orologio circadiano. Quando arriva un vero attacco, la prova quotidiana delle piante dei loro sistemi di difesa assicura una difesa tempestiva forte e concertata. Le piante con orologi disallineati soccombono all'attacco.

Un eccellente esempio di una pianta che pianifica la sua difesa viene dal gruppo di Xinnian Dong alla Duke University. Hyaloperonospora arabidopsidis è un agente patogeno che diffonde le sue spore virulente al mattino e causa malattie in Arabidopsis impianti. Il gruppo di Dong lo ha dimostrato elegantemente Arabidopsis anticipa questo attacco esprimendo all'alba un insieme di geni di difesa che conferiscono resistenza contro il patogeno. Quando i ricercatori hanno interrotto il Arabidopsis orologio circadiano, questa mattina ha abolito la difesa e reso la pianta più suscettibile.

Le piante si affidano anche a una difesa tempestiva per combattere gli insetti. Ad esempio, i crochet di cavolo hanno un'attività di alimentazione massima prima del tramonto. Il bellissimo lavoro del gruppo di Janet Braam alla Rice University lo ha dimostrato Arabidopsis produce l'ormone di segnalazione della difesa acido jasmonico con un picco a mezzogiorno in previsione di questo attacco. Quando gli insetti colpiscono davvero, l'orologio circadiano aumenta questa difesa di mezzogiorno, producendo più acido jasmonico per inibire l'alimentazione degli insetti.

Gli orologi ballano in coppia?

Come si vede da questi esempi, patogeni e parassiti hanno i loro orologi circadiani e li usano per determinare il momento migliore per essere attivi. In che modo questa capacità influenza le loro invasioni di ospiti? Finora, i ricercatori non sono sicuri se gli orologi dei patogeni e dei parassiti siano coordinati con quello dell'ospite. Se sono, la loro sincronizzazione potrebbe determinare l'esito delle loro interazioni.

Le prove attuali indicano che alcuni microbi eucarioti, come Hyaloperonospora arabidopsidis e Botrytis cinerea , sono in grado di manipolare Arabidopsis orologio circadiano. Anche i patogeni procarioti, Come Pseudomonas syringae , nonostante manchi un oscillatore centrale canonico, possono interferire con gli orologi delle piante in vari modi.

Negli esseri umani e nei topi, alcune popolazioni del microbiota intestinale oscillano quotidianamente, a seconda dell'orologio circadiano dell'ospite. interessante, il microbiota intestinale è in grado di riprogrammare l'orologio dell'ospite. Come avviene questa comunicazione trans-regno? In che modo può influenzare l'esito delle interazioni tra ospite e microbi? La ricerca in quest'area rappresenta un livello affascinante e inesplorato delle dinamiche ospite-invasore.

L'orologio come guaritore e aiutante

La capacità di integrare i segnali temporali con lo sviluppo e le risposte agli attacchi ambientali è un adattamento evolutivo. Le piante hanno insegnato molto ai biologi sui ritmi circadiani e sul loro ruolo nel modulare tutto, dallo sviluppo alla difesa.

La ricerca sull'orologio ha aperto l'opportunità di applicare questa conoscenza ad altri sistemi, compresi gli umani. Come possiamo modificare il ciclo quotidiano di alcune funzioni di difesa per migliorare l'immunità senza causare stress evolutivo? In quali momenti della giornata siamo più suscettibili a determinati agenti patogeni? Quali sono le ore del giorno più invasive per vari agenti patogeni e parassiti?

Le risposte a domande come queste aiuteranno a svelare le interazioni ospite-patogeno/parassita, non solo nelle piante ma anche nelle persone. In definitiva, questa conoscenza potrebbe contribuire alla progettazione di farmaci di precisione su misura per potenziare la difesa tempestiva nelle singole persone per combattere vari agenti patogeni e parassiti. Inoltre, la nostra comprensione della resistenza alle malattie delle piante aiuterà il controllo agricolo di agenti patogeni e parassiti, mitigare la sfida globale della perdita di raccolto.

La ricerca in corso continua a rivelare come l'influenza dei ritmi circadiani si estenda illimitatamente come i raggi del sole.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.