Исследователи также определили ген, который определяет нарушения в «тиканье» одних часов и заставляет другие часы сокращать время. Их работа опубликована в номере журнала Nature от 22 июня.
От ежедневных циклов сна / бодрствования и колебаний температуры тела у животных до роста и фотосинтеза у растений — все живые существа имеют внутренние часы, которые позволяют им координировать свое поведение и физиологию с 24-часовым циклом дня и ночи.Защита растений не исключение. В предыдущем исследовании биолог из Университета Дьюка Ксинниан Донг и его коллеги обнаружили, что растения отражают потенциальные грибковые инфекции, повышая свою защиту по утрам, когда многие грибы могут выпустить свои споры и начать атаку.
Считается, что эти и другие суточные ритмы обусловлены колебаниями активации «утренних генов» и «вечерних генов». Белки, вырабатываемые утренними генами, подавляют вечерние гены в начале дня, но по мере того, как белки начинают накапливаться в клетке, они в конечном итоге отключаются.
Последующее падение уровня белка по утрам ближе к концу дня, в свою очередь, активирует «вечерние» гены, создавая непрерывный 24-часовой цикл.Но у организмов от человека до водорослей также есть другие часы, которые не полагаются на ритмическую экспрессию генов для измерения времени, а вместо этого используют подъем и падение реактивных молекул кислорода, которые образуются как естественные побочные продукты метаболизма.Исследователи знали об обоих механизмах хронометража в течение нескольких лет, но не выяснили, как эти два часа связаны и почему у организмов есть и то, и другое.
«Основной вопрос: зачем вам два часа в одной« комнате »?» — сказал Донг.В своих экспериментах соавторы Донга Миан Чжоу и Вэй Ван из Duke обрабатывали растения Arabidopsis thaliana салициловой кислотой, аспириноподобным соединением, которое растения используют для борьбы с инфекцией.Обработка салициловой кислотой нарушила нормальные суточные колебания активных молекул кислорода в клетках растений. Но исследователи были удивлены, обнаружив, что гены циркадных часов растений производят больше белков только с тем же регулярным ритмом.
«Они более или менее сохранили время, как это было раньше», — сказал соавтор герцога Николас Бухлер, доцент кафедры биологии и физики.Бухлер и его аспирант Саргис Карапетян затем использовали математическую модель для объяснения этого явления. Они обнаружили, что растения, обработанные салициловой кислотой, не бежали быстро или медленно, а активнее активировали гены «утренних» и «вечерних» часов.
Исследователи также идентифицировали ген под названием NPR1, который связывает два часа, позволяя им работать вместе. Подобно молекулярному термостату, NPR1 воспринимает изменения в тактовом ритме реактивных форм кислорода растений и реагирует включением как «утренних», так и «вечерних» генов в других часах.Конечным результатом стало то, что иммунная система растений была еще более подготовлена к поражению грибами утром, но более восприимчива к инфекции ночью — предположительно, чтобы свести к минимуму вмешательство между защитой от патогенов и их ростом, что в основном происходит в предрассветные часы.«Рост растений страдает, если растения активируют защиту в неподходящее время», — сказал Донг.
Их следующий шаг — отключить термостат NPR1 и посмотреть, как реагируют ритмы растений.«Иногда плохо иметь слишком жесткий график», — сказал Донг. «Но чем больше вы заняты, тем важнее придерживаться графика и координировать конкурирующие задачи в разное время дня», — сказал Донг.