Al anochecer, las hojas del tamarindo se cierran, esperando otro amanecer. Androstenos, un capitán de barco que sirvió bajo Alejandro Magno, hizo el primer relato escrito de estos movimientos de hojas en el siglo IV a. C.

Tardó siglos más en descubrir que estaba describiendo los efectos del reloj circadiano. Este mecanismo interno de detección del tiempo permite a muchos organismos vivos realizar un seguimiento del tiempo y coordinar sus comportamientos a lo largo de ciclos de 24 horas. Sigue los ciclos regulares de día / noche y estacionales de la rotación diaria de la Tierra. La investigación circadiana ha avanzado tanto que el Premio Nobel de fisiología o medicina de 2017 fue otorgado por el trabajo pionero que dilucidó la base molecular que subyace a los ritmos circadianos.

Los biólogos como nosotros estamos estudiando los relojes circadianos de las plantas para comprender cómo afectan la salud y el bienestar de toda la vida en la Tierra. A medida que los investigadores continúan desentrañando más sobre cómo funcionan estos relojes, incluida la forma en que influyen en las interacciones entre los huéspedes y sus patógenos y plagas invasores, podrían aparecer en el horizonte nuevas formas de medicina de precisión especialmente cronometrada.

Nuestro marcapasos oculto

Los organismos de los tres dominios de la vida poseen una asombrosa diversidad de ritmos circadianos. Aparentemente simple Cianobacterias alternar la actividad fotosintética entre el día y la noche. El hongo Neurospora crassa produce esporas todas las mañanas justo antes del amanecer. Las mariposas monarca migratorias utilizan una delicada brújula solar en su migración anual. Casi todos los aspectos de la actividad humana están influenciados por el reloj circadiano; puede ver esto fácilmente en usted mismo si vuela a través de zonas horarias o participa en el trabajo por turnos.

La fuerza impulsora detrás de los ritmos circadianos es lo que los científicos llaman el oscilador central del reloj circadiano, una elaborada red de genes que activan y desactivan la actividad de los demás. Juntos, forman ciclos de retroalimentación complejos que calibran el tiempo con precisión.

Aunque los genes del reloj individuales no son siempre los mismos en todos los dominios de la vida, el mecanismo de retroalimentación del oscilador central es. Este mecanismo actúa como un interruptor para sincronizar las actividades diarias de un organismo con las fluctuaciones diurnas y nocturnas y otros cambios ambientales. Estos asombrosos actos de equilibrio reflejan la capacidad de los organismos para anticipar los cambios ambientales a lo largo del día.

Cronometraje y salud precisos

Un reloj circadiano bien calibrado es fundamental para el crecimiento y la forma física. razón por la cual la desalineación del reloj circadiano con las señales ambientales causa problemas de salud diversos y de gran alcance. Algunas enfermedades humanas incluida la diabetes, obesidad, enfermedad cardiovascular y algunos trastornos psiquiátricos como depresión y trastorno bipolar, probablemente estén vinculados a que los relojes circadianos no estén sincronizados con el medio ambiente.

La creciente evidencia también vincula el reloj circadiano con la salud de las plantas. En particular, Los científicos de plantas han demostrado que un reloj circadiano correctamente ajustado es importante para la resistencia de las enfermedades de las plantas a una serie de patógenos y plagas. Aunque las plantas no producen anticuerpos ni utilizan células inmunitarias especializadas para protegerse de los invasores, algunos aspectos de su sistema inmunológico son similares al nuestro. Debido a lo fácil que es cultivarlos y manipularlos genéticamente, algunas plantas, igual que Arabidopsis , sirven como sistemas ideales para investigar cómo el reloj circadiano influye en el resultado de las enfermedades en las plantas una vez infectadas.

Interacciones planta-patógeno durante todo el día

Plantas estar inmóvil, deben asignar estratégicamente su energía y recursos limitados cuando se enfrentan a patógenos y plagas. Tienen la habilidad sofisticada de cronometrar su defensa, lo que les permite anticipar posibles ataques antes de que ocurran y modular las respuestas de defensa a atacantes reales.

La vanguardia de la defensa de las plantas está en la superficie. Características físicas como tricomas, pequeños pelos que sobresalen, cubrir de manera protectora una planta, y los revestimientos de cera disuaden a los invasores de adherirse a la superficie. La superficie de la planta también tiene numerosos poros en forma de boca llamados estomas. Normalmente, los estomas se abren rítmicamente durante el día y se cierran durante la noche, un proceso regulado por el reloj circadiano en previsión de cambios de luz y humedad. Si bien este proceso es importante para la fotosíntesis y el intercambio de agua, Algunos patógenos pueden utilizar los estomas de apertura como portales para acceder a los nutrientes y al espacio dentro del tejido vegetal y los estomas de cierre restringen la invasión de patógenos.

Más allá de las barreras físicas de primera línea, Las plantas han desarrollado complejos sistemas de vigilancia para detectar patógenos y plagas como intrusos. Cuando los receptores de la superficie celular reconocen un patógeno, la planta cierra inmediatamente sus estomas en el sitio de la invasión. Los relojes circadianos disfuncionales alteran el cierre estomático, resultando en una enfermedad más severa.

Un mayor reconocimiento de patógenos envía señales de alerta a las profundidades del tejido vegetal, activar un arsenal de respuestas de defensa, incluida la reprogramación de la expresión génica, producción de compuestos antimicrobianos y mejora de la señalización de defensa. Incluso en ausencia de patógenos, muchas de estas respuestas muestran cambios bajos pero rítmicos que están influenciados por el reloj circadiano. Cuando llega un ataque real, El ensayo diario de las plantas de sus sistemas de defensa asegura una defensa oportuna fuerte y concertada. Las plantas con relojes desalineados sucumben al ataque.

Un excelente ejemplo de una planta que sincroniza su defensa proviene del grupo de Xinnian Dong en la Universidad de Duke. Hyaloperonospora arabidopsidis es un patógeno que disemina sus esporas virulentas por la mañana y causa enfermedad en Arabidopsis plantas. El grupo de Dong mostró elegantemente que Arabidopsis anticipa este ataque al expresar al amanecer un conjunto de genes de defensa que le confiere resistencia frente al patógeno. Cuando los investigadores interrumpieron el Arabidopsis reloj circadiano, abolió esta defensa matutina y volvió la planta más susceptible.

Las plantas también dependen de una defensa oportuna para luchar contra los insectos. Por ejemplo, los loopers de repollo tienen una actividad máxima de alimentación antes del anochecer. El hermoso trabajo del grupo de Janet Braam en la Universidad de Rice demostró que Arabidopsis produce la hormona de señalización de defensa ácido jasmónico con un pico al mediodía en previsión de este ataque. Cuando los insectos realmente atacan, el reloj circadiano aumenta esta defensa del mediodía, produciendo más ácido jasmónico para inhibir la alimentación de los insectos.

¿Los relojes bailan en parejas?

Como se ve en estos ejemplos, los patógenos y las plagas tienen sus propios relojes circadianos y los utilizan para determinar el mejor momento para estar activos. ¿Cómo afecta esta capacidad a sus invasiones de huéspedes? Hasta aquí, los investigadores no están seguros de si los relojes de patógenos y plagas están coordinados con los del huésped. Si ellos estan, la forma en que están sincronizados podría determinar el resultado de sus interacciones.

La evidencia actual indica que algunos microbios eucariotas, tal como Hyaloperonospora arabidopsidis y Botrytis cinerea , son capaces de manipular el Arabidopsis reloj circadiano. Incluso patógenos procariotas, igual que Pseudomonas syringae , a pesar de carecer de un oscilador central canónico, puede interferir con los relojes de las plantas de diversas formas.

En humanos y ratones, algunas poblaciones de microbiota intestinal oscilan a diario, dependiendo del reloj circadiano del anfitrión. Curiosamente, La microbiota intestinal es capaz de reprogramar el reloj del anfitrión. ¿Cómo ocurre esta comunicación de transreino? ¿Cómo puede influir en el resultado de las interacciones entre el huésped y el microbio? La investigación en esta área representa un nivel fascinante e inexplorado de dinámica huésped-invasor.

El reloj como sanador y ayudante

La capacidad de integrar señales de tiempo con el desarrollo y las respuestas a los ataques ambientales es una adaptación evolutiva. Las plantas han enseñado a los biólogos mucho sobre los ritmos circadianos y su papel en la modulación de todo, desde el desarrollo hasta la defensa.

La investigación del reloj ha abierto una oportunidad para aplicar este conocimiento a otros sistemas, incluidos los humanos. ¿Cómo podemos modificar el ciclo diario de ciertas funciones de defensa para mejorar la inmunidad sin causar estrés en el desarrollo? ¿En qué momentos del día somos más susceptibles a ciertos patógenos? ¿Cuáles son los momentos del día más invasivos para varios patógenos y plagas?

Las respuestas a preguntas como estas ayudarán a desentrañar las interacciones huésped-patógeno / plaga, no solo en las plantas sino también en las personas. Por último, este conocimiento podría contribuir al diseño de medicamentos de precisión que se adapten para impulsar la defensa oportuna en personas individuales para luchar contra diversos patógenos y plagas. Además, nuestro conocimiento de la resistencia a las enfermedades de las plantas ayudará al control agrícola de patógenos y plagas, mitigar el desafío global de la pérdida de cultivos.

La investigación en curso continúa revelando cómo la influencia de los ritmos circadianos se extiende tan ilimitadamente como los rayos del sol.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.