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研究植物及其病原体的昼夜节律可能2号站注册登录会为人类提供精确的医学治疗

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黄昏时分,罗望子树的叶子合拢了,2号站等待着另一个黎明。亚历山大大帝手下的一位名叫Androsthenes的船长,在公元前4世纪对这些树叶的运动做了第一次书面记载
 
他花了几个世纪的时间才发现他是在描述生物钟的影响。这种内在的时间感知机制使许多生物能够跟踪时间,并在24小时的周期内协调它们的行为。它遵循有规律的昼夜和地球每日自转的季节周期。昼夜节律研究已经取得了很大进展,2017年的诺贝尔生理学或医学奖授予了阐明昼夜节律的分子基础的开创性工作。
 
像我们这样的生物学家正在研究植物的生物钟,以了解它们如何影响地球上所有生命的健康和福祉。随着研究人员对这些时钟如何工作(包括它们如何影响宿主与入侵的病原体和害虫之间的相互作用)的进一步研究,一种新型的定时精准药物即将问世。
 
我们隐藏的起搏器
 
这三个领域的生物有着惊人的多样性的昼夜节律。看似简单的蓝藻在日夜交替进行光合作用。真菌Neurospora crassa在每天黎明前产生孢子。迁徙的帝王蝶在每年的迁徙中使用一个精致的太阳指南针。人类活动的几乎每一个方面都受到生物钟的影响——如果你飞越时区或从事倒班工作,你很容易在自己身上看到这一点。
 
昼夜节律背后的驱动力是科学家们所说的昼夜节律钟的中央振荡器,这是一个复杂的基因网络,负责开启和关闭彼此的活动。它们共同形成复杂的反馈回路,精确地校准时间。
 
虽然单个的时钟基因在生命的各个领域并不总是相同的,但是中心振荡器的反馈机制却是相同的。这一机制就像一个开关,使生物体的日常活动与昼夜波动和其他环境变化同步。这种惊人的平衡反应了生物体对一天中不断变化的环境的预测能力。
 
精确的计时和健康
 
校准良好的昼夜节律钟对生长和健康至关重要,这就是为什么昼夜节律钟与环境信号不一致会导致各种影响深远的健康问题。一些人类疾病,包括糖尿病、肥胖、心血管疾病和一些精神疾病,如抑郁症和躁郁症,可能与昼夜节律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,植物科学家已经表明,一个适当调节的昼夜节律钟对植物抗病虫害是很重要的。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。由于种植和基因操作非常简单,一些植物,如拟南芥,可以作为研究昼夜节律钟如何影响植物感染后疾病结果的理想系统。
 
植物与病原体的全天候相互作用
 
植物是不能移动的,当面对病原体和害虫时,它们必须有策略地分配它们有限的能量和资源。他们拥有精确的防御时间,这使他们能够在可能的攻击发生之前预测并调整防御对真正的攻击者的反应。
 
植物防御的最前线是在地表。像毛状体这样的物理特征,突出的小毛发,保护性的覆盖在植物上,蜡涂层阻止入侵者附着在表面。植物表面也有许多像嘴巴一样的气孔。通常情况下,气孔在白天有节奏地打开,在晚上闭合,这一过程受昼夜节律钟的调节,以预测光和湿度的变化。虽然这一过程对光合作用和水分交换很重要,但一些病原体可以利用气孔作为进入植物组织内营养物质和空间的门户,而关闭气孔则可以限制病原体的入侵。
 
除了前沿的物理屏障,植物还进化出了复杂的监测系统,以探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,植物会立即在入侵部位关闭气孔。生理时钟功能失调,影响气孔关闭,导致更严重的疾病。

进一步的病原体识别将警报信号发送到植物组织深处,激活防御反应的兵工厂,包括基因表达的重新编程、抗菌化合物的生产和防御信号的增强。即使在没有病原体的情况下,许多这些反应也表现出受生物钟影响的低而有节奏的变化。当真正的攻击到来时,工厂每天对防御系统的演练确保了一个强大的、协调一致的及时防御。时钟失调的植物会屈服于这种攻击。
 
杜克大学(Duke University)的董新年(Xinnian Dong)团队就是一个很好的例子,证明了植物定时防御。摘要透明小孢子虫是一种能在早晨传播其有毒孢子的病原体,在拟南芥上引起病害。董的团队优雅地展示了拟南芥通过在黎明表达一组防御基因来预测这种攻击,这组基因能抵抗病原体。当研究人员打乱拟南芥的生物钟时,2号站代理它就会破坏今晨的防御,让植物更容易受到影响。
 
植物也依靠及时的防御来击退昆虫。例如,大白菜环菜在黄昏前有高峰进食活动。莱斯大学珍妮特·布拉姆的研究小组做了一项漂亮的工作,他们发现拟南芥会产生一种防御信号激素茉莉酸,这种激素在中午的时候达到峰值,预示着即将到来的攻击。当昆虫袭击时,生物钟会增强这种中午防御,产生更多的茉莉酸来抑制昆虫的进食。
 
时钟是成对跳舞的吗?
 
从这些例子中可以看出,病原体和害虫都有自己的生物钟,并利用它们来确定最佳活动时间。这个能力如何影响他们入侵的主机?到目前为止,研究人员还不能确定病原体和害虫的生物钟是否与宿主的生物钟相协调。如果是,那么它们的同步程度将决定它们交互的结果。
 
目前的证据表明,一些真核微生物,如玻璃孔菌和灰霉病菌,能够操纵拟南芥的昼夜节律钟。即使是原核病原体,如丁香假单胞菌,尽管缺乏典型的中心振荡器,也能以各种方式干扰植物的生物钟。
 
在人类和小鼠中,一些肠道菌群每天都在变化,这取决于宿主的昼夜节律钟。有趣的是,肠道微生物群能够对宿主时钟进行重新编程。这种跨域通信是如何发生的?它如何影响宿主和微生物相互作用的结果?在这个领域的研究代表了一个引人入胜的和未被探索的主机入侵者动力学水平。
 
时钟是治疗者和助手
 
将时间线索与发展和对环境破坏的反应结合起来的能力是一种进化适应。植物教会了生物学家很多关于昼夜节律的知识,以及它们在调节从发育到防御等各个方面的作用。
 
时钟研究为将这一知识应用于包括人类在内的其他系统提供了机会。我们怎样才能在不引起发育压力的情况下,改变某些防御功能的日常循环来增强免疫力呢?一天中什么时候我们最容易受到某些病原体的影响?一天中对各种病原体和害虫最具侵袭性的时间是什么时候?
 
回答这些问题将有助于揭示宿主-病原体/害虫的相互作用,不仅在植物中,而且在人体内。最终,这些知识将有助于精确药物的设计,以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了解将有助于农业控制病原体和害虫,减轻全球作物损失的挑战。
 
正在进行的研究继续揭示昼夜节律的影响如何像太阳光线一样无限延伸。

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