Saat senja, dedaunan pohon asam dekat, menunggu fajar lagi. Androsthenes, seorang kapten kapal yang melayani di bawah Alexander the Great, membuat laporan tertulis pertama tentang pergerakan daun ini pada abad keempat SM
Butuh berabad-abad lebih lama untuk menemukan bahwa ia sedang menggambarkan efek dari jam sirkadian. Mekanisme penginderaan waktu internal ini memungkinkan banyak organisme hidup untuk melacak waktu dan mengoordinasikan perilaku mereka sepanjang siklus 24 jam. Ini mengikuti hari / malam reguler dan siklus musiman rotasi harian Bumi. Penelitian sirkadian telah berkembang sejauh ini, Hadiah Nobel 2017 dalam bidang fisiologi atau kedokteran diberikan untuk karya inovatif yang menguraikan dasar molekuler yang mendasari ritme sirkadian.
Ahli biologi seperti kita sedang mempelajari jam sirkadian pada tanaman untuk wawasan tentang bagaimana mereka mempengaruhi kesehatan dan kesejahteraan semua kehidupan di Bumi. Ketika para peneliti terus menguraikan lebih lanjut tentang bagaimana jam ini bekerja - termasuk bagaimana mereka mempengaruhi interaksi antara inang dan patogen dan hama penyerang mereka - bentuk-bentuk baru dari obat presisi yang waktunya khusus dapat berada di cakrawala.
Alat pacu jantung tersembunyi kami
Organisme dari ketiga domain kehidupan memiliki keragaman ritme sirkadian yang luar biasa. Cyanobacteria nampaknya sederhana berganti aktivitas fotosintesis antara siang dan malam. Jamur Neurospora crassa menghasilkan spora setiap pagi tepat sebelum fajar. Kupu-kupu raja yang bermigrasi menggunakan kompas matahari yang lembut dalam migrasi tahunan mereka. Hampir setiap aspek aktivitas manusia dipengaruhi oleh jam sirkadian - Anda dapat dengan mudah melihat ini dalam diri Anda jika Anda terbang melintasi zona waktu atau terlibat dalam pekerjaan shift.
Kekuatan pendorong di balik ritme sirkadian adalah apa yang oleh para ilmuwan disebut osilator pusat clock sirkadian, jaringan gen yang rumit yang menghidupkan dan mematikan aktivitas satu sama lain. Bersama-sama, mereka membentuk loop umpan balik yang kompleks yang secara akurat mengkalibrasi waktu.
Meskipun masing-masing gen jam tidak selalu sama di seluruh domain kehidupan, mekanisme umpan balik dari osilator pusat adalah. Mekanisme ini bertindak sebagai saklar untuk menyinkronkan kegiatan sehari-hari suatu organisme dengan fluktuasi siang dan malam dan perubahan lingkungan lainnya. Tindakan penyeimbangan yang menakjubkan seperti itu mencerminkan kemampuan organisme untuk mengantisipasi perubahan lingkungan sepanjang hari.
Ketepatan waktu dan kesehatan yang tepat
Jam sirkadian yang dikalibrasi dengan baik sangat penting untuk pertumbuhan dan kebugaran, itulah sebabnya mengapa ketidakselarasan jam sirkadian dengan isyarat lingkungan menyebabkan beragam masalah kesehatan yang berjangkauan luas. Beberapa penyakit manusia, termasuk diabetes, obesitas, penyakit kardiovaskular dan beberapa gangguan kejiwaan seperti depresi dan gangguan bipolar, kemungkinan terkait dengan jam sirkadian yang tidak selaras dengan lingkungan.
Setelah terinfeksi oleh jamur, tanaman dengan jam sirkadian mutan (kanan) menunjukkan lebih banyak kerusakan daripada tanaman normal (kiri). (Hua Lu, CC BY-ND) Semakin banyak bukti juga menghubungkan jam sirkadian dengan kesehatan tanaman. Secara khusus, ilmuwan tanaman telah menunjukkan bahwa jam sirkadian yang disetel dengan benar penting untuk ketahanan penyakit tanaman terhadap susunan patogen dan hama. Meskipun tanaman tidak menghasilkan antibodi atau menggunakan sel-sel kekebalan khusus untuk menangkal penjajah, beberapa aspek sistem kekebalan mereka mirip dengan kita. Karena betapa mudahnya untuk tumbuh dan memanipulasi mereka secara genetik, beberapa tanaman, seperti Arabidopsis, berfungsi sebagai sistem yang ideal untuk menyelidiki bagaimana jam sirkadian mempengaruhi hasil penyakit pada tanaman yang pernah terinfeksi.
Interaksi tanaman-patogen sepanjang waktu
Tanaman, karena tidak bergerak, harus secara strategis mengalokasikan energi dan sumber dayanya yang terbatas ketika dihadapkan dengan patogen dan hama. Mereka memiliki kemampuan canggih untuk mengatur waktu pertahanan mereka, yang memungkinkan mereka mengantisipasi kemungkinan serangan sebelum terjadi dan memodulasi respons pertahanan terhadap penyerang nyata.
Stomata adalah pori-pori kecil di permukaan tanaman yang dapat membuka dan menutup. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) Garis depan pertahanan tanaman ada di permukaan. Ciri-ciri fisik seperti trikoma, rambut-rambut kecil yang menonjol, melindungi tanaman, dan pelapis lilin mencegah penjajah menempel pada permukaan. Permukaan tanaman juga memiliki banyak pori-pori seperti mulut yang disebut stomata. Biasanya, stomata terbuka secara ritmis di siang hari dan tutup pada malam hari, suatu proses yang diatur oleh jam sirkadian untuk mengantisipasi perubahan cahaya dan kelembaban. Sementara proses ini penting untuk fotosintesis dan pertukaran air, pembukaan stomata dapat digunakan oleh beberapa patogen sebagai portal untuk mengakses nutrisi dan ruang di dalam jaringan tanaman dan menutup stomata membatasi invasi patogen.
Di luar hambatan fisik garis depan, pabrik telah mengembangkan sistem pengawasan yang kompleks untuk mendeteksi patogen dan hama sebagai pengganggu. Ketika reseptor permukaan sel mengenali patogen, tanaman segera menutup stomata di lokasi invasi. Jam sirkadian disfungsional merusak penutupan stomata, mengakibatkan penyakit yang lebih parah.
Pengenalan patogen lebih lanjut mengirimkan sinyal waspada jauh ke dalam jaringan tanaman, mengaktifkan gudang tanggapan pertahanan, termasuk pemrograman ulang ekspresi gen, produksi senyawa antimikroba dan peningkatan pensinyalan pertahanan. Bahkan tanpa adanya patogen, banyak dari respons ini menunjukkan perubahan yang rendah tetapi berirama yang dipengaruhi oleh jam sirkadian. Ketika serangan nyata tiba, latihan harian sistem pertahanan mereka memastikan pertahanan yang kuat dan tepat waktu. Tanaman dengan jam yang tidak selaras menyerah pada serangan.
Salah satu contoh yang sangat baik dari waktu pabrik pertahanannya berasal dari kelompok Xinnian Dong di Universitas Duke. Hyaloperonospora arabidopsidis adalah patogen yang menyebarkan spora ganasnya di pagi hari dan menyebabkan penyakit pada tanaman Arabidopsis . Kelompok Dong dengan elegan menunjukkan bahwa Arabidopsis mengantisipasi serangan ini dengan mengekspresikan satu set gen pertahanan saat fajar yang memberikan perlawanan terhadap patogen. Ketika para peneliti mengganggu jam sirkadian Arabidopsis, itu menghapuskan pertahanan pagi ini dan membuat tanaman lebih rentan.
Tanaman juga mengandalkan pertahanan tepat waktu untuk melawan serangga. Sebagai contoh, pemecah kol memiliki aktivitas makan puncak sebelum senja. Karya indah kelompok Janet Braam di Rice University menunjukkan bahwa Arabidopsis menghasilkan hormon pensinyalan pertahanan asam jasmonat dengan puncak pada siang hari untuk mengantisipasi serangan ini. Ketika serangga benar-benar menyerang, jam sirkadian meningkatkan pertahanan siang ini, menghasilkan lebih banyak asam jasmonik untuk menghambat pemberian makan serangga.
Apakah jam menari berpasangan?
Seperti yang terlihat dari contoh-contoh ini, patogen dan hama memiliki jam sirkadian sendiri dan menggunakannya untuk menentukan waktu terbaik untuk aktif. Bagaimana kemampuan ini memengaruhi invasi tuan rumah? Sejauh ini, para peneliti tidak yakin apakah jam patogen dan hama terkoordinasi dengan inang. Jika ya, bagaimana sinkronisasi mereka dapat menentukan hasil interaksi mereka.
Bukti terkini menunjukkan bahwa beberapa mikroba eukariotik, seperti Hyaloperonospora arabidopsidis dan Botrytis cinerea, mampu memanipulasi jam sirkadian Arabidopsis . Bahkan patogen prokariotik, seperti Pseudomonas syringae, meskipun tidak memiliki osilator pusat kanonik, dapat mengganggu jam tanaman dengan berbagai cara.
Pada manusia dan tikus, beberapa populasi mikrobiota usus berosilasi setiap hari, tergantung pada jam sirkadian inang. Menariknya, mikrobiota usus mampu memprogram ulang jam tuan rumah. Bagaimana komunikasi transkingdom ini terjadi? Bagaimana hal itu dapat mempengaruhi hasil interaksi inang dan mikroba? Penelitian dalam bidang ini mewakili tingkat dinamika host-invader yang menarik dan belum dijelajahi.
Tindakan tepat waktu pada tanaman - seperti daun penutupan pohon asam yang diperhatikan oleh Androsthenes ribuan tahun yang lalu - pada akhirnya dapat membantu kita merancang obat yang lebih tepat. (oraphan_nan / Shutterstock.com) Jam sebagai penyembuh dan penolong
Kemampuan untuk mengintegrasikan isyarat waktu dengan pengembangan dan respons terhadap serangan lingkungan adalah adaptasi evolusi. Tumbuhan telah mengajarkan banyak ahli biologi tentang ritme sirkadian dan peran mereka dalam memodulasi segala sesuatu mulai dari pengembangan hingga pertahanan.
Penelitian jam telah membuka peluang untuk menerapkan pengetahuan ini ke sistem lain, termasuk manusia. Bagaimana kita dapat memodifikasi siklus harian fitur pertahanan tertentu untuk meningkatkan kekebalan tanpa menyebabkan tekanan perkembangan? Jam berapa dalam sehari kita paling rentan terhadap patogen tertentu? Kapan waktu yang paling invasif untuk berbagai patogen dan hama?
Jawaban untuk pertanyaan-pertanyaan seperti ini akan membantu mengungkap interaksi host-patogen / hama, tidak hanya pada tanaman tetapi juga pada manusia. Pada akhirnya, pengetahuan ini dapat berkontribusi pada desain obat-obatan presisi yang dirancang untuk meningkatkan pertahanan tepat waktu pada individu untuk memerangi berbagai patogen dan hama. Selain itu, pemahaman kita tentang resistensi penyakit tanaman akan membantu kontrol pertanian terhadap patogen dan hama, mengurangi tantangan global hilangnya tanaman.
Penelitian yang sedang berlangsung terus mengungkapkan bagaimana pengaruh ritme sirkadian meluas tanpa batas seperti sinar matahari.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation.
Hua Lu, Associate Professor Ilmu Biologi, Universitas Maryland, Baltimore County
Linda Wiratan, Mahasiswa BS Biokimia dan Biologi Molekuler, University of Maryland, Baltimore County
