夕暮れ時には、タマリンドの木の葉が閉じ、次の夜明けを待ちます。 アレキサンダー大王の下で奉仕する船長アンドロステンスは、紀元前4世紀にこれらの葉の動きの最初の記述を作成しました。
彼が概日時計の効果を説明していることを発見するのに何世紀もかかりました。 この内部の時間感知メカニズムにより、多くの生物が時間を追跡し、24時間サイクルに沿って行動を調整できます。 それは、地球の毎日の回転の規則的な昼/夜および季節サイクルに従います。 概日研究はこれまでに進んでおり、2017年の生理学または医学のノーベル賞は、概日リズムの根底にある分子基盤を解明した画期的な研究に授与されました。
私たちのような生物学者は、地球上のすべての生命の健康と幸福にどのように影響するかについての洞察のために、植物の体内時計を研究しています。 研究者たちがこれらの時計の仕組み（宿主と侵入する病原体や害虫との相互作用にどのように影響するかなど）についてさらに解き明かすにつれて、特別なタイミングの精密医療の新しい形態が地平線上にあるかもしれません。
隠れたペースメーカー
生命の3つの領域すべての生物は、驚くほど多様な概日リズムを持っています。 一見単純な藍藻類は昼と夜の間で光合成活性を交互に変えます。 菌類Neurospora crassaは、毎朝夜明けの直前に胞子を生成します。 渡り鳥のオオカバマダラは、毎年の移住で繊細な太陽コンパスを使用します。 人間の活動のほぼすべての側面は、概日時計の影響を受けます。タイムゾーンを飛び回ったり、交代制勤務に従事すると、自分で簡単にこれを確認できます。
概日リズムの背後にある推進力は、科学者が概日時計の中心振動子と呼んでいるもので、お互いの活動をオン/オフする遺伝子の精巧なネットワークです。 一緒に、時間を正確に調整する複雑なフィードバックループを形成します。
個々の時計遺伝子は生命のドメイン間で常に同じではありませんが、中心振動子のフィードバック機構は同じです。 このメカニズムは、生物の日々の活動を昼夜の変動やその他の環境変化と同期させるためのスイッチとして機能します。 このような驚くべきバランスをとる行為は、一日を通して変化する環境を予測する生物の能力を反映しています。
正確な計時と健康
よく調整された概日時計は、成長とフィットネスに重要です。これが、環境の手がかりと概日時計のずれが多様で広範囲にわたる健康問題を引き起こす理由です。 糖尿病、肥満、心血管疾患、うつ病や双極性障害などの精神疾患を含むいくつかの人間の疾患は、環境と同期していない概日時計に関連している可能性があります。
真菌による感染後、突然変異体の概日時計を持つ植物（右）は、通常の植物（左）よりもはるかに大きな損傷を示しました。 （Hua Lu、CC BY-ND） 証拠の増加は、概日時計と植物の健康を結び付けます。 特に、植物科学者は、適切に調整された概日時計が病原体や害虫の配列に対する植物病害抵抗性にとって重要であることを示しています。 植物は抗体を産生せず、侵入者を追い払うために特殊な免疫細胞を使用しませんが、それらの免疫システムのいくつかの側面は私たちのものと似ています。 シロイヌナズナのようないくつかの植物は、成長と遺伝子操作が非常に簡単なため、感染した植物の概日時計が病気の結果にどのように影響するかを調べる理想的なシステムとして機能します。
24時間体制の植物病原体相互作用
動かない植物は、病原体や害虫に直面したときに、限られたエネルギーと資源を戦略的に割り当てる必要があります。 防御のタイミングを調整する高度な機能を備えているため、発生する可能性のある攻撃を予測し、実際の攻撃者に対する防御応答を調整できます。
気孔は、植物の表面にある小さな孔で、開閉することができます。 （Valentina Moraru / Shutterstock.com） 植物防御の最前線は表面にあります。 毛状突起、突き出た小さな毛、植物を保護的に覆う毛のような物理的特徴、ワックスコーティングは侵入者が表面に付着するのを防ぎます。 植物の表面には、気孔と呼ばれる多くの口のような毛穴があります。 通常、気孔は日中はリズミカルに開き、夜は閉じます。これは、光と湿度の変化を見越して概日時計によって規制されているプロセスです。 このプロセスは光合成と水交換にとって重要ですが、一部の病原体は、気孔を開くことでポータルとして植物組織内部の栄養素と空間にアクセスし、気孔を閉じることで病原体の侵入を制限できます。
植物は、最前線の物理的障壁を超えて、侵入者として病原体と害虫を検出する複雑な監視システムを進化させてきました。 細胞表面受容体が病原体を認識すると、植物は侵入部位で気孔をすぐに閉じます。 機能不全の概日時計は、気孔の閉鎖を損ない、より深刻な疾患をもたらす。
さらに病原体を認識すると、アラート信号が植物組織の奥深くに送信され、遺伝子発現の再プログラミング、抗菌化合物の生成、防御シグナル伝達の強化など、防衛反応の兵器庫が活性化されます。 病原体が存在しない場合でも、これらの反応の多くは、概日時計の影響を受ける低いがリズムの変化を示します。 実際の攻撃が到着すると、植物の防衛システムの毎日のリハーサルにより、強力で協調したタイムリーな防衛が保証されます。 時計の位置がずれている植物は攻撃に負けます。
防御のタイミングを調整するプラントの優れた例の1つは、デューク大学のXinnian Dongのグループです。 Hyaloperonospora arabidopsidisは、朝にその有毒胞子を広める病原体であり、 シロイヌナズナ植物に病気を引き起こします。 ドンのグループは、 シロイヌナズナが病原体に対する抵抗力を与える一連の防御遺伝子を夜明けに発現することにより、この攻撃を予測することをエレガントに示しました。 研究者がシロイヌナズナの概日時計を破壊したとき、この朝の防御を廃止し、植物の感受性を高めました。
植物はまた、昆虫を撃退するためにタイムリーな防御に依存しています。 たとえば、キャベツのルーパーは、日没前に摂食活動がピークに達します。 ライス大学のジャネット・ブラームのグループによる美しい研究は、 シロイヌナズナがこの攻撃を予測して正午にピークを持つ防御シグナル伝達ホルモンであるジャスモン酸を生成することを示しました。 昆虫が実際に打撃を与えると、概日時計はこの正午の防御を高め、ジャスモン酸をより多く生成して昆虫の摂食を抑制します。
時計はペアで踊りますか？
これらの例からわかるように、病原体と害虫には独自の概日時計があり、それらを使用して活動するのに最適な時期を決定します。 この能力は、ホストの侵入にどのように影響しますか？ これまでのところ、研究者は、病原体と害虫の時計が宿主のものに調整されているかどうかはわかりません。 もしそうであれば、彼らはどのように同期しているかが彼らの相互作用の結果を決定する可能性があります。
現在の証拠は、 Hyaloperonospora arabidopsidisやBotrytis cinereaなどの一部の真核微生物がシロイヌナズナの概日時計を操作できることを示しています。 Pseudomonas syringaeのような原核生物の病原体でさえ、標準的な中央振動子を欠いているにも関わらず、さまざまな方法で植物の時計に干渉する可能性があります。
人間とマウスでは、宿主の概日時計に応じて、腸内細菌叢のいくつかの個体群が毎日振動します。 興味深いことに、腸内細菌叢はホストクロックを再プログラミングできます。 このトランスキングダムコミュニケーションはどのように発生しますか？ 宿主と微生物の相互作用の結果にどのように影響しますか？ この分野での研究は、ホストインベーダーのダイナミクスの魅力的で未踏のレベルを表しています。
数千年前にアンドロステネスが気づいたタマリンドの木の閉じ葉のように、植物の適切なタイミングでの行動は、最終的にはより正確な薬を設計するのに役立ちます。 （oraphan_nan / Shutterstock.com） ヒーラーおよびヘルパーとしての時計
時間の合図を開発と環境攻撃への対応と統合する能力は、進化的な適応です。 植物は生物学者に概日リズムと発達から防御までのすべてを調節する役割について多くを教えてきました。
時計の研究により、この知識を人間を含む他のシステムに適用する機会が開かれました。 特定の防御機能の毎日のサイクリングを変更して、発達ストレスを引き起こすことなく免疫を強化するにはどうすればよいですか？ 特定の病原体の影響を最も受けやすいのはいつですか？ さまざまな病原体や害虫にとって最も侵襲的な時間帯は何ですか？
このような質問への回答は、植物だけでなく人でも、宿主と病原体/害虫の相互作用を解明するのに役立ちます。 最終的に、この知識は、さまざまな病原体や害虫と戦うために個々の人々のタイムリーな防御を強化するように調整された精密医薬品の設計に貢献する可能性があります。 さらに、植物の耐病性に関する理解は、病原体および害虫の農業的管理を支援し、作物損失の世界的な課題を軽減します。
サーカディアンリズムの影響が太陽の光線のように限りなく広がることを、継続的な研究が明らかにし続けています。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
メリーランド大学ボルチモア郡生物科学准教授Hua Lu
リンダ・ウィラタン、メリーランド大学ボルチモア郡生化学および分子生物学の学士
