UMBC的生物科學(xué)教授華魯及其同事發(fā)現(xiàn)，植物的晝夜節(jié)律(基本上是內(nèi)部時(shí)鐘)與其抵御疾病和害蟲的能力之間存在新的遺傳聯(lián)系。這些研究結(jié)果已經(jīng)制作了10年，并于本周在Nature Communications上發(fā)表。結(jié)果最終可能導(dǎo)致植物對(duì)致病病原體產(chǎn)生更強(qiáng)的抵抗力，并為人類疾病提供更好的治療。
“這很酷，”盧說(shuō)，“因?yàn)椋谥参锖蛣?dòng)物中，人們開始研究生物鐘和免疫系統(tǒng)之間的串?dāng)_。”
時(shí)機(jī)就是一切
為了應(yīng)對(duì)細(xì)菌，真菌和其他害蟲的日常攻擊，植物已經(jīng)發(fā)展出各種保護(hù)自己的策略。植物可以關(guān)閉它們的氣孔 - 葉子上的蠟質(zhì)涂層中的小開口 - 以防止一些細(xì)菌進(jìn)入。他們可能會(huì)生產(chǎn)水楊酸和茉莉酸等化學(xué)物質(zhì)來(lái)驅(qū)除細(xì)菌和昆蟲。他們還制造了大量對(duì)成功防御很重要的蛋白質(zhì)。
諸如關(guān)閉氣孔，產(chǎn)生水楊酸等的行為每天都會(huì)發(fā)生，通常在某些病原體和害蟲最有可能活躍的時(shí)候達(dá)到峰值。植物防御的節(jié)奏性質(zhì)表明植物正在協(xié)調(diào)其內(nèi)部時(shí)鐘與其防御系統(tǒng)，以提高其防御行動(dòng)的有效性。
在這項(xiàng)研究中，Lu及其同事首次發(fā)現(xiàn)LUX是植物生物鐘中的中心基因，對(duì)于在一天中的特定時(shí)間調(diào)節(jié)氣孔的開啟和關(guān)閉以及激活由水楊酸介導(dǎo)的防御非常重要。和茉莉酸。
在典型的植物中，氣孔在白天打開，以便能夠交換光合作用所需的氣體。然后他們?cè)谕砩详P(guān)閉，以防止水分流失。氣孔也響應(yīng)白天病原體的攻擊而關(guān)閉。他們對(duì)夜間襲擊的反應(yīng)微乎其微，因?yàn)樗麄円呀?jīng)關(guān)閉了。
然而，在具有非功能性LUX基因的植物中，Lu發(fā)現(xiàn)氣孔在白天和夜晚都是開放的。在白天攻擊期間，氣孔比普通植物保持開闊。然而，在夜間襲擊中，一些氣孔關(guān)閉。這意味著缺乏功能性LUX基因的植物對(duì)其氣孔何時(shí)開放的控制較少，允許更多的機(jī)會(huì)性病原體進(jìn)入。這種區(qū)別表明LUX對(duì)于氣孔驅(qū)動(dòng)的防御反應(yīng)的時(shí)間至關(guān)重要，將生物鐘的防御系統(tǒng)化以一種新的方式。
Lu的研究也深入研究了LUX基因與防御化學(xué)品水楊酸和茉莉酸之間的關(guān)系。雖然眾所周知，生物鐘可以調(diào)節(jié)防御反應(yīng)，但本文表明反過(guò)來(lái)也是如此：“適當(dāng)調(diào)整的生物鐘對(duì)于防御激活很重要。當(dāng)防御被激活時(shí)，它可以反饋來(lái)調(diào)節(jié)生物鐘，“盧說(shuō)。
研究小組特別表明，正常的茉莉酸信號(hào)需要LUX的存在。反過(guò)來(lái)，茉莉酸也影響LUX和生物鐘的表達(dá)。生物鐘和防御信號(hào)之間的這種相互調(diào)節(jié)有助于植物平衡其能量用于正常生長(zhǎng)和發(fā)育以及防御反應(yīng)。
從農(nóng)場(chǎng)到制藥
Lu有興趣進(jìn)一步研究以確定時(shí)間如何影響植物防御系統(tǒng)。生物鐘如何影響防御反應(yīng)的多個(gè)方面?來(lái)自病原體和害蟲的哪些分子會(huì)干擾植物的生物鐘，從而限制其保護(hù)自身的能力?更好地了解時(shí)鐘基因如何控制植物防御以及病原體如何與植物防御系統(tǒng)相互作用可以使農(nóng)業(yè)及其他方面受益。
“病原體一直到處都是。病原體中最活躍的形式通常在一天內(nèi)變化。而且，植物在一天的不同時(shí)間可以有不同的防御策略，”Lu解釋說(shuō)。“那么，何時(shí)才是施用殺蟲劑的最佳時(shí)間?這可能取決于病原體，其感染模式以及作物的行為。我認(rèn)為需要進(jìn)行田間試驗(yàn)以確定施用化學(xué)品以達(dá)到在預(yù)防感染或感染傳播方面最有效。“
減少農(nóng)藥的使用總量可以減少化學(xué)品流入水道的流量，降低農(nóng)民的成本。減少抗生素的使用可能有助于阻止抗生素耐藥性，這對(duì)人類也有益。
此外，植物不是唯一一個(gè)免疫系統(tǒng)活動(dòng)全天波動(dòng)的植物。動(dòng)物系統(tǒng)也有每日循環(huán)。因此，“類似的想法可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，”盧說(shuō)。
植物和動(dòng)物在分子水平上與病原體和害蟲相互作用的方式之間存在相似之處。也許在將來(lái)，您的處方將附帶具體的時(shí)間指示，或者您的手術(shù)將根據(jù)您的免疫系統(tǒng)活動(dòng)進(jìn)行安排。
科學(xué)在行動(dòng)
盧說(shuō)，她的所有研究，特別是這篇多部分的論文，都是由她的實(shí)驗(yàn)室成員推動(dòng)的。“與這么多敬業(yè)的人合作非常棒，”她說(shuō)。“沒有他們，我就做不到。”
其中包括現(xiàn)在受雇于美國(guó)農(nóng)業(yè)部的博士后張崇章和現(xiàn)任博士后高敏，他們是新論文的共同第一作者。五名本科生和一名高中生也參與了這個(gè)長(zhǎng)期項(xiàng)目。有些實(shí)驗(yàn)需要在24小時(shí)內(nèi)每四個(gè)小時(shí)進(jìn)行一次測(cè)試，這意味著當(dāng)他們正在進(jìn)行時(shí)，有人正在實(shí)驗(yàn)室的沙發(fā)上睡覺。
總的來(lái)說(shuō)，Lu的團(tuán)隊(duì)成員受到他們的工作可能為社會(huì)做出貢獻(xiàn)的潛在好處的驅(qū)動(dòng)。他們對(duì)提高作物產(chǎn)量以滿足不斷增長(zhǎng)的人口，減少污染或通過(guò)改善時(shí)間和劑量來(lái)減少人類醫(yī)療副作用的前景感到興奮。
“這個(gè)領(lǐng)域讓我感興趣，因?yàn)槲铱梢钥吹轿业淖髌酚幸恍?shí)際應(yīng)用，我認(rèn)為這很重要，”盧說(shuō)。“這應(yīng)該是每個(gè)科學(xué)家的目標(biāo) - 在現(xiàn)實(shí)生活中運(yùn)用你的知識(shí)。”