Al crepuscolo, le foglie dell'albero di tamarindo si chiudono, aspettando un'altra alba. Androsthenes, un capitano di nave che prestava servizio sotto Alessandro Magno, fece il primo resoconto scritto di questi movimenti di foglie 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 loro comportamenti lungo i cicli di 24 ore. Segue i normali cicli giorno / notte e stagionali della rotazione giornaliera della Terra. La ricerca circadiana è andata così avanti che il Premio Nobel 2017 in fisiologia o medicina è stato assegnato per il lavoro rivoluzionario che ha chiarito le basi molecolari alla base dei ritmi circadiani.
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 - incluso 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 settori della vita possiedono una straordinaria diversità di ritmi circadiani. I cianobatteri apparentemente semplici alternano l'attività fotosintetica tra il giorno e la notte. Il fungo Neurospora crassa produce spore ogni mattina poco prima dell'alba. Le farfalle di monarca migratore 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 voli attraverso i fusi orari o ti impegni nel lavoro 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 reciprocamente l'attività. Insieme, formano complessi circuiti di feedback che calibrano accuratamente il tempo.
Sebbene i singoli geni dell'orologio non siano sempre gli stessi in tutti i domini della vita, il meccanismo di feedback dell'oscillatore centrale lo è. Questo meccanismo funge da 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 il cambiamento dell'ambiente durante il giorno.
Cronometraggio e salute precisi
Un orologio circadiano ben calibrato è fondamentale per la crescita e l'idoneità, motivo per cui il disallineamento dell'orologio circadiano con segnali ambientali causa problemi di salute diversi e di vasta portata. Alcune malattie umane, tra cui diabete, obesità, malattie cardiovascolari e alcuni disturbi psichiatrici come la depressione e il disturbo bipolare, sono probabilmente legate al fatto che gli orologi circadiani non sono sincronizzati con l'ambiente.
Dopo l'infezione da un fungo, le piante con un orologio circadiano mutante (a destra) hanno mostrato molti più danni rispetto alle piante normali (a sinistra). (Hua Lu, CC BY-ND) L'aumento delle prove collega anche l'orologio circadiano alla salute delle piante. In particolare, gli scienziati delle piante hanno dimostrato che un orologio circadiano opportunamente sintonizzato è importante per la resistenza delle malattie delle piante agli array di agenti patogeni e parassiti. Sebbene le piante non producano anticorpi o utilizzano cellule immunitarie specializzate per scongiurare gli invasori, alcuni aspetti del loro sistema immunitario sono simili ai nostri. A causa di quanto sia facile coltivarli e manipolarli geneticamente, alcune piante, come l' Arabidopsis, fungono da sistemi ideali per studiare in che modo l'orologio circadiano influenza l'esito delle malattie nelle piante una volta infette.
Interazioni pianta-patogeno tutto il giorno
Le piante, essendo immobili, devono allocare strategicamente le loro energie e risorse limitate di fronte a agenti patogeni e parassiti. Hanno la sofisticata capacità di cronometrare la loro difesa, che consente loro di anticipare i probabili attacchi prima che si verifichino e di modulare le risposte di difesa ai veri aggressori.
Gli stomi sono piccoli pori sulla superficie della pianta che possono aprirsi e chiudersi. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) L'avanguardia della difesa delle piante è in superficie. Caratteristiche fisiche come i tricomi, i piccoli peli che sporgono, coprono in modo protettivo una pianta e i rivestimenti in cera impediscono agli invasori di aderire alla superficie. La superficie della pianta ha anche numerosi pori simili alla 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. Mentre questo processo è importante per la fotosintesi e lo scambio di acqua, l'apertura di 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.
Oltre alle barriere fisiche di 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 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.
Un ulteriore riconoscimento del patogeno invia segnali di allarme in profondità nel tessuto vegetale, attivando un arsenale di risposte di difesa, tra cui la riprogrammazione dell'espressione genica, la produzione di composti antimicrobici e il potenziamento della segnalazione 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, le prove quotidiane delle piante dei loro sistemi di difesa assicurano una difesa tempestiva forte e concertata. Le piante con orologi disallineati soccombono all'attacco.
Un eccellente esempio di tempistica di un impianto la cui difesa viene dal gruppo di Xinnian Dong alla Duke University. Hyaloperonospora arabidopsidis è un patogeno che diffonde le sue spore virulente al mattino e causa malattie nelle piante di Arabidopsis . Il gruppo di Dong ha mostrato con eleganza che Arabidopsis anticipa questo attacco esprimendo una serie di geni di difesa all'alba che danno resistenza al patogeno. Quando i ricercatori hanno interrotto l'orologio circadiano di Arabidopsis, questa mattina ha abolito la difesa e reso la pianta più suscettibile.
Le piante fanno anche affidamento su una difesa tempestiva per combattere gli insetti. Ad esempio, i loop di cavoli hanno un'attività di alimentazione di picco prima del tramonto. Un bellissimo lavoro del gruppo di Janet Braam alla Rice University ha dimostrato che l' Arabidopsis produce l'ormone di segnalazione dell'acido jasmonico con un picco a mezzogiorno in previsione di questo attacco. Quando gli insetti colpiscono effettivamente, l'orologio circadiano aumenta questa difesa di mezzogiorno, producendo più acido jasmonico per inibire l'alimentazione degli insetti.
Gli orologi ballano in coppia?
Come visto da questi esempi, agenti 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 host? Finora, i ricercatori non sono sicuri se gli orologi patogeni e antiparassitari siano coordinati con quelli dell'ospite. Se lo sono, il loro modo di sincronizzarsi potrebbe determinare il risultato delle loro interazioni.
Le prove attuali indicano che alcuni microbi eucariotici, come Hyaloperonospora arabidopsidis e Botrytis cinerea, sono in grado di manipolare l'orologio circadiano di Arabidopsis . Anche i patogeni procariotici, come lo Pseudomonas syringae, nonostante manchi un oscillatore centrale canonico, possono interferire con gli orologi delle piante in vari modi.
Nell'uomo e nei topi, alcune popolazioni di microbiota intestinale oscillano quotidianamente, a seconda dell'orologio circadiano ospite. È interessante notare che il microbiota intestinale è in grado di riprogrammare l'orologio ospite. Come avviene questa comunicazione transkingdom? In che modo può influenzare l'esito delle interazioni ospite e microbo? La ricerca in questo settore rappresenta un livello affascinante e inesplorato delle dinamiche host-invasore.
Azioni tempestive nelle piante - come le foglie di chiusura dell'albero di tamarindo notate da Androsthenes millenni fa - potrebbero eventualmente aiutarci a progettare medicine più precise. (Oraphan_nan / Shutterstock.com) L'orologio come guaritore e aiutante
La capacità di integrare i segnali temporali con lo sviluppo e le risposte agli assalti ambientali è un adattamento evolutivo. Le piante hanno insegnato ai biologi molto sui ritmi circadiani e il loro ruolo nel modulare tutto dallo sviluppo alla difesa.
La ricerca sull'orologio ha aperto un'opportunità per applicare questa conoscenza ad altri sistemi, inclusi gli umani. Come possiamo modificare il ciclo quotidiano di alcune funzioni di difesa per migliorare l'immunità senza causare stress per lo sviluppo? In quali momenti della giornata siamo più sensibili a determinati agenti patogeni? Quali sono i momenti più invasivi della giornata per vari agenti patogeni e parassiti?
Le risposte a domande come queste aiuteranno a svelare le interazioni ospite-patogeno / parassiti, non solo nelle piante ma anche nelle persone. In definitiva, questa conoscenza potrebbe contribuire alla progettazione di medicinali di precisione su misura per aumentare la difesa tempestiva nelle singole persone per combattere contro vari agenti patogeni e parassiti. Inoltre, la nostra comprensione della resistenza alle malattie delle piante aiuterà il controllo agricolo di agenti patogeni e parassiti, mitigando la sfida globale della perdita delle colture.
La ricerca in corso continua a rivelare come l'influenza dei ritmi circadiani si estende senza limiti come i raggi del sole.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Hua Lu, Professore associato di Scienze biologiche, Università del Maryland, Contea di Baltimora
Linda Wiratan, studentessa BS di biochimica e biologia molecolare, Università del Maryland, Contea di Baltimora
