Au crépuscule, les feuilles du tamarinier se referment, en attendant une autre aube. Androsthène, un capitaine de navire servant sous Alexandre le Grand, a fait le premier compte rendu écrit de ces mouvements de feuilles au IVe siècle av.

Il a fallu des siècles de plus pour découvrir qu'il décrivait les effets de l'horloge circadienne. Ce mécanisme interne de détection du temps permet à de nombreux organismes vivants de suivre le temps et de coordonner leurs comportements tout au long de cycles de 24 heures. Il suit les cycles réguliers jour/nuit et saisonniers de la rotation quotidienne de la Terre. La recherche circadienne a tellement progressé que le prix Nobel 2017 de physiologie ou de médecine a été décerné pour les travaux révolutionnaires qui ont élucidé la base moléculaire sous-jacente aux rythmes circadiens.

Des biologistes comme nous étudient les horloges circadiennes des plantes pour mieux comprendre comment elles affectent la santé et le bien-être de toute vie sur Terre. Alors que les chercheurs continuent de mieux comprendre comment ces horloges fonctionnent – ​​y compris comment elles influencent les interactions entre les hôtes et leurs agents pathogènes et ravageurs envahissants – de nouvelles formes de médecine de précision spécialement chronométrée pourraient être à l'horizon.

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Les organismes des trois domaines de la vie possèdent une étonnante diversité de rythmes circadiens. Apparemment simple Cyanobactéries activité photosynthétique alternée entre le jour et la nuit. Le champignon Neurospora crassa produit des spores chaque matin juste avant l'aube. Les papillons monarques migrateurs utilisent une boussole solaire délicate dans leur migration annuelle. Presque tous les aspects de l'activité humaine sont influencés par l'horloge circadienne - vous pouvez facilement le voir en vous-même si vous traversez des fuseaux horaires ou si vous travaillez par quarts.

La force motrice derrière les rythmes circadiens est ce que les scientifiques appellent l'oscillateur central de l'horloge circadienne, un réseau élaboré de gènes qui activent et désactivent l'activité de l'autre. Ensemble, ils forment des boucles de rétroaction complexes qui calibrent avec précision le temps.

Bien que les gènes d'horloge individuels ne soient pas toujours les mêmes dans tous les domaines de la vie, le mécanisme de rétroaction de l'oscillateur central est. Ce mécanisme agit comme un commutateur pour synchroniser les activités quotidiennes d'un organisme avec les fluctuations diurnes et nocturnes et d'autres changements environnementaux. De tels équilibres étonnants reflètent les capacités des organismes à anticiper les changements d'environnement tout au long de la journée.

Chronométrage précis et santé

Une horloge circadienne bien calibrée est essentielle pour la croissance et la forme physique, c'est pourquoi le désalignement de l'horloge circadienne avec les signaux environnementaux provoque des problèmes de santé divers et de grande envergure. Certaines maladies humaines, dont le diabète, obésité, les maladies cardiovasculaires et certains troubles psychiatriques tels que la dépression et le trouble bipolaire, sont probablement liés à des horloges circadiennes désynchronisées avec l'environnement.

De plus en plus de preuves relient également l'horloge circadienne à la santé des plantes. En particulier, les phytologues ont montré qu'une horloge circadienne correctement réglée est importante pour la résistance des plantes aux maladies à un ensemble d'agents pathogènes et de ravageurs. Bien que les plantes ne produisent pas d'anticorps ou n'utilisent pas de cellules immunitaires spécialisées pour repousser les envahisseurs, certains aspects de leur système immunitaire sont similaires au nôtre. En raison de la facilité de leur culture et de leur manipulation génétique, des plantes, Comme Arabidopsis , servent de systèmes idéaux pour étudier comment l'horloge circadienne influence l'issue des maladies chez les plantes une fois infectées.

Interactions plantes-pathogènes 24 heures sur 24

Les plantes, étant immobile, doivent allouer stratégiquement leur énergie et leurs ressources limitées face aux agents pathogènes et aux ravageurs. Ils ont la capacité sophistiquée de chronométrer leur défense, ce qui leur permet d'anticiper les attaques probables avant qu'elles ne se produisent et de moduler les réponses de défense aux attaquants réels.

L'avant-garde de la défense des plantes est à la surface. Caractéristiques physiques comme les trichomes, petits poils qui dépassent, couvrir de manière protectrice une plante, et les revêtements de cire dissuadent les envahisseurs de s'accrocher à la surface. La surface de la plante a également de nombreux pores en forme de bouche appelés stomates. Normalement, les stomates s'ouvrent rythmiquement le jour et se ferment la nuit, un processus régulé par l'horloge circadienne en prévision des changements de lumière et d'humidité. Bien que ce processus soit important pour la photosynthèse et l'échange d'eau, les stomates qui s'ouvrent peuvent être utilisés par certains agents pathogènes comme portails pour accéder aux nutriments et à l'espace à l'intérieur du tissu végétal et les stomates fermés limitent l'invasion des agents pathogènes.

Au-delà des barrières physiques de première ligne, les plantes ont développé des systèmes de surveillance complexes pour détecter les agents pathogènes et les parasites en tant qu'intrus. Lorsque les récepteurs de la surface cellulaire reconnaissent un agent pathogène, la plante ferme immédiatement ses stomates sur le site d'invasion. Les horloges circadiennes dysfonctionnelles altèrent la fermeture des stomates, entraînant une maladie plus grave.

Une reconnaissance supplémentaire des agents pathogènes envoie des signaux d'alerte profondément dans le tissu végétal, activer un arsenal de réponses de défense, y compris la reprogrammation de l'expression des gènes, production de composés antimicrobiens et amélioration de la signalisation de défense. Même en l'absence d'agents pathogènes, bon nombre de ces réponses montrent des changements faibles mais rythmiques qui sont influencés par l'horloge circadienne. Quand une véritable attaque arrive, la répétition quotidienne de leurs systèmes de défense par les usines assure une défense opportune forte et concertée. Les plantes avec des horloges mal alignées succombent à l'attaque.

Un excellent exemple d'une usine chronométrant sa défense vient du groupe de Xinnian Dong à l'université Duke. Hyaloperonospora arabidopsidis est un agent pathogène qui dissémine ses spores virulentes le matin et provoque des maladies chez les Arabidopsis les plantes. Le groupe de Dong a montré avec élégance que Arabidopsis anticipe cette attaque en exprimant à l'aube un ensemble de gènes de défense qui confèrent une résistance contre le pathogène. Lorsque les chercheurs ont perturbé le Arabidopsis Horloge circadienne, il a aboli cette défense matinale et rendu la plante plus sensible.

Les plantes comptent également sur une défense opportune pour combattre les insectes. Par exemple, La fausse-arpenteuse du chou a une activité alimentaire maximale avant le crépuscule. Le beau travail du groupe de Janet Braam à l'Université Rice a montré que Arabidopsis produit l'hormone de signalisation de défense acide jasmonique avec un pic à midi en prévision de cette attaque. Lorsque les insectes frappent réellement, l'horloge circadienne renforce cette défense de midi, produire plus d'acide jasmonique pour inhiber l'alimentation des insectes.

Les horloges dansent-elles par paires ?

Comme le montrent ces exemples, les agents pathogènes et les parasites ont leurs propres horloges circadiennes et les utilisent pour déterminer le meilleur moment pour être actifs. Comment cette capacité affecte-t-elle leurs invasions d'hôtes ? Jusque là, les chercheurs ne savent pas si les horloges des agents pathogènes et des ravageurs sont coordonnées à celles de l'hôte. Si ils sont, leur synchronisation pourrait déterminer le résultat de leurs interactions.

Les preuves actuelles indiquent que certains microbes eucaryotes, tel que Hyaloperonospora arabidopsidis et Botrytis cinerea , sont capables de manipuler le Arabidopsis Horloge circadienne. Même les agents pathogènes procaryotes, Comme Pseudomonas syringae , malgré l'absence d'un oscillateur central canonique, peuvent interférer avec les horloges végétales de diverses manières.

Chez l'homme et la souris, certaines populations de microbiote intestinal oscillent quotidiennement, en fonction de l'horloge circadienne de l'hôte. De façon intéressante, le microbiote intestinal est capable de reprogrammer l'horloge de l'hôte. Comment se produit cette communication transroyale ? Comment peut-elle influencer le résultat des interactions hôte-microbe ? La recherche dans ce domaine représente un niveau fascinant et inexploré de la dynamique hôte-envahisseur.

L'horloge comme guérisseur et aide

La capacité d'intégrer les indices temporels avec le développement et les réponses aux agressions environnementales est une adaptation évolutive. Les plantes ont beaucoup appris aux biologistes sur les rythmes circadiens et leur rôle dans la modulation de tout, du développement à la défense.

La recherche sur l'horloge a ouvert une opportunité d'appliquer ces connaissances à d'autres systèmes, y compris les humains. Comment pouvons-nous modifier le cycle quotidien de certaines caractéristiques de défense pour renforcer l'immunité sans provoquer de stress développemental ? À quels moments de la journée sommes-nous les plus sensibles à certains agents pathogènes ? Quelles sont les périodes de la journée les plus envahissantes pour divers agents pathogènes et ravageurs ?

Les réponses à des questions comme celles-ci aideront à démêler les interactions hôte-pathogène/parasite, non seulement chez les plantes mais aussi chez les humains. Finalement, ces connaissances pourraient contribuer à la conception de médicaments de précision conçus pour renforcer la défense en temps opportun chez les individus afin de lutter contre divers agents pathogènes et ravageurs. En outre, notre compréhension de la résistance aux maladies des plantes aidera le contrôle agricole des agents pathogènes et des ravageurs, atténuer le défi mondial des pertes de récoltes.

Les recherches en cours continuent de révéler comment l'influence des rythmes circadiens s'étend aussi indéfiniment que les rayons du soleil.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.