黃昏時(shí)，羅望子樹(shù)的葉子關(guān)閉，等待另一個(gè)黎明。Androsthenes是一位在亞歷山大大帝統(tǒng)治下服役的船長(zhǎng)，他在公元前四世紀(jì)對(duì)這些葉子運(yùn)動(dòng)做了第一次書(shū)面記錄。

經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)世紀(jì)更長(zhǎng)的時(shí)間才能發(fā)現(xiàn)他描述生理的影響時(shí)鐘。這種內(nèi)部時(shí)間感應(yīng)機(jī)制允許許多生物體跟蹤時(shí)間并協(xié)調(diào)它們?cè)?4小時(shí)循環(huán)中的行為。它遵循地球日常輪換的常規(guī)日/夜和季節(jié)周期。到目前為止，晝夜節(jié)律研究取得了進(jìn)展，2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)被授予開(kāi)創(chuàng)性的工作，該工作闡明了晝夜節(jié)律的分子基礎(chǔ)。

像我們這樣的生物學(xué)家正在研究植物中的生物鐘，以了解它們?nèi)绾斡绊懙厍蛏纤猩慕】岛透ｌ?。隨著研究人員不斷更多地了解這些時(shí)鐘如何工作 - 包括它們?nèi)绾斡绊懰拗髋c其入侵的病原體和害蟲(chóng)之間的相互作用- 新形式的特殊定時(shí)精確醫(yī)學(xué)可能即將出現(xiàn)。

我們隱藏的起搏器

來(lái)自生命的三個(gè)領(lǐng)域的生物具有驚人的晝夜節(jié)律多樣性。看似簡(jiǎn)單的藍(lán)細(xì)菌在白天和黑夜之間交替進(jìn)行光合作用。真菌脈孢菌(Neurospora crassa)每天早晨在黎明前產(chǎn)生孢子。遷徙的帝王蝶在他們的年度遷徙中使用精致的太陽(yáng)羅盤。幾乎人類活動(dòng)的每個(gè)方面都受到生物鐘的影響 - 如果你跨越時(shí)區(qū)或從事輪班工作，你可以很容易地看到這一點(diǎn)。

晝夜節(jié)律背后的驅(qū)動(dòng)力是科學(xué)家稱之為生物鐘的中央振蕩器，這是一個(gè)精心設(shè)計(jì)的基因網(wǎng)絡(luò)，可以打開(kāi)和關(guān)閉彼此的活動(dòng)。它們共同構(gòu)成了復(fù)雜的反饋回路，可以準(zhǔn)確地校準(zhǔn)時(shí)間。

雖然各個(gè)時(shí)鐘基因在生命領(lǐng)域并不總是相同，但中央振蕩器的反饋機(jī)制是。這種機(jī)制可以作為一種開(kāi)關(guān)，使生物體的日?；顒?dòng)與晝夜波動(dòng)和其他環(huán)境變化同步。這種驚人的平衡行為反映了生物體在一天中預(yù)測(cè)不斷變化的環(huán)境的能力。

精確的計(jì)時(shí)和健康

經(jīng)過(guò)良好校準(zhǔn)的生物鐘對(duì)于生長(zhǎng)和健康至關(guān)重要，這就是為什么生物鐘與環(huán)境線索的錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致多樣化和影響深遠(yuǎn)的健康問(wèn)題。一些人類疾病，包括糖尿病，肥胖癥，心血管疾病和一些精神疾病，如抑郁癥和雙相情感障礙，可能與生物鐘與環(huán)境不同步有關(guān)。

越來(lái)越多的證據(jù)也將生物鐘與植物健康聯(lián)系起來(lái)。特別是，植物科學(xué)家已經(jīng)證明，適當(dāng)調(diào)整的生物鐘對(duì)植物抗病毒和病蟲(chóng)害的數(shù)量非常重要。雖然植物不產(chǎn)生抗體或使用專門的免疫細(xì)胞來(lái)抵御入侵者，但它們的免疫系統(tǒng)的某些方面與我們的相似。由于生長(zhǎng)和遺傳操作它們是多么容易，一些植物，如擬南芥，是研究生物鐘如何影響植物一旦感染后疾病結(jié)果的理想系統(tǒng)。

植物病原體相互作用全天候

植物不動(dòng)，在遇到病原體和害蟲(chóng)時(shí)必須戰(zhàn)略性地分配其有限的能量和資源。他們擁有完善的防御時(shí)間，能夠在攻擊發(fā)生之前預(yù)測(cè)可能的攻擊，并調(diào)整對(duì)真實(shí)攻擊者的防御反應(yīng)。

植物防御的最前沿是表面上的。物理特征如毛狀體，伸出的小毛發(fā)，保護(hù)性地覆蓋植物，以及蠟涂層阻止入侵者粘附在表面上。植物表面還有許多稱為氣孔的嘴狀毛孔。通常，氣孔在白天有節(jié)奏地打開(kāi)并且在夜間關(guān)閉，這是由生物鐘控制的過(guò)程，預(yù)期光和濕度變化。雖然這個(gè)過(guò)程對(duì)于光合作用和水交換很重要，但是開(kāi)放的氣孔可以被一些病原體用作進(jìn)入植物組織內(nèi)的養(yǎng)分和空間的門戶，并且關(guān)閉氣孔限制病原體入侵。

除了前線物理屏障外，植物還開(kāi)發(fā)了復(fù)雜的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以檢測(cè)病原體和害蟲(chóng)作為入侵者。當(dāng)細(xì)胞表面受體識(shí)別病原體時(shí)，植物立即在入侵部位關(guān)閉其氣孔。功能失調(diào)的生物鐘會(huì)損害氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致更嚴(yán)重的疾病。

進(jìn)一步的病原體識(shí)別將警報(bào)信號(hào)深入植物組織，激活防御反應(yīng)庫(kù)，包括基因表達(dá)的重編程，抗微生物化合物的產(chǎn)生和防御信號(hào)的增強(qiáng)。即使在沒(méi)有病原體的情況下，許多這些反應(yīng)顯示出受生物鐘影響的低但有節(jié)奏的變化。當(dāng)真正的攻擊到來(lái)時(shí)，植物每天的防御系統(tǒng)排練確保了強(qiáng)大而協(xié)調(diào)的及時(shí)防御。時(shí)鐘錯(cuò)位的植物屈服于攻擊。

工廠計(jì)時(shí)防御的一個(gè)很好的例子來(lái)自杜克大學(xué)的新年?yáng)|集團(tuán)。Hyaloperonospora arabidopsidis是一種病原體，它在早晨傳播其毒性孢子并在擬南芥植物中引起疾病。Dong的小組優(yōu)雅地表明，擬南芥通過(guò)在黎明時(shí)表達(dá)一組防御基因來(lái)預(yù)測(cè)這種攻擊，從而抵抗病原體。當(dāng)研究人員破壞擬南芥生物鐘時(shí)，它取消了今天早上的防御并使植物更容易受到影響。

植物還依靠及時(shí)的防御來(lái)對(duì)抗昆蟲(chóng)。例如，卷心菜在黃昏前具有最高的攝食活動(dòng)。珍妮特布拉姆在萊斯大學(xué)的研究小組所做的精彩工作表明擬南芥生產(chǎn)的防御信號(hào)激素茉莉酸在中午達(dá)到峰值以預(yù)期這次襲擊。當(dāng)昆蟲(chóng)真正發(fā)作時(shí)，生物鐘促進(jìn)這個(gè)中午防御，產(chǎn)生更多的茉莉酸以抑制昆蟲(chóng)攝食。

鐘表成雙成對(duì)跳舞?

從這些例子中可以看出，病原體和害蟲(chóng)有自己的生物鐘，并用它們來(lái)確定活躍的最佳時(shí)間。這種能力如何影響他們對(duì)宿主的入侵?到目前為止，研究人員還不確定病原體和害蟲(chóng)時(shí)鐘是否與宿主的時(shí)鐘相協(xié)調(diào)。如果是，他們的同步方式可以決定他們互動(dòng)的結(jié)果。

目前的證據(jù)表明，一些真核微生物，如Hyaloperonospora arabidopsidis和Botrytis cinerea，能夠操縱擬南芥生物鐘。盡管缺乏規(guī)范的中央振蕩器，即使是原核假單胞菌(如丁香假單胞菌)也會(huì)以各種方式干擾植物鐘。

在人類和小鼠中，一些腸道微生物群每天振蕩，這取決于宿主生物鐘。有趣的是，腸道微生物群能夠重新編程主機(jī)時(shí)鐘。這種transkingdom溝通是如何發(fā)生的?它如何影響宿主和微生物相互作用的結(jié)果?這一領(lǐng)域的研究代表了主人入侵者動(dòng)態(tài)的迷人和未開(kāi)發(fā)的水平。

作為治療師和助手的時(shí)鐘

將時(shí)間線索與發(fā)展和對(duì)環(huán)境攻擊的響應(yīng)相結(jié)合的能力是一種進(jìn)化適應(yīng)。植物向生物學(xué)家講授了許多關(guān)于晝夜節(jié)律及其在調(diào)節(jié)從發(fā)育到防御的一切事物中的作用。

時(shí)鐘研究為將這些知識(shí)應(yīng)用于包括人類在內(nèi)的其他系統(tǒng)提供了機(jī)會(huì)。我們?nèi)绾涡薷哪承┓烙δ艿娜粘Ｑh(huán)以增強(qiáng)免疫力而不會(huì)引起發(fā)育壓力?一天中哪些時(shí)候我們最容易受某些病原體的影響?對(duì)于各種病原體和害蟲(chóng)，一天中最具侵入性的時(shí)間是什么?

對(duì)這些問(wèn)題的回答將有助于揭示宿主 - 病原體/害蟲(chóng)相互作用，不僅在植物中，而且在人群中。最終，這些知識(shí)可以促進(jìn)精確藥物的設(shè)計(jì)，這些藥物的定制是為了促進(jìn)個(gè)人及時(shí)防御各種病原體和害蟲(chóng)。此外，我們對(duì)植物抗病性的理解將有助于農(nóng)業(yè)控制病原體和害蟲(chóng)，減輕作物損失的全球挑戰(zhàn)。

正在進(jìn)行的研究繼續(xù)揭示晝夜節(jié)律的影響如何像太陽(yáng)的光線一樣無(wú)限延伸。