Kako biljke pobeđuju džet-leg Understand article

Prevela Nina Portolan (Biološki fakultet Univerziteta u beogradu). Nova istraživanja rasvetljavaju unutrašnje “satove” koji pomažu biljkama da odgovore na smenjivanje dnevno-noćnih ciklusa.

Illustrations of ‘sleep movements’ of Medicago leaves
Ilustracije pokreta spavanjakod listova biljke
Medicago iz knjige “The Power of Movement
in Plants”

Charles Darwin (1898)/Wikimedia
Commons, za javno korišćenje
 

Da li ste ikada iskusili dezorijentišući osećaj džet-lega nakon jako dugog leta? Razlog što je osećaj tako grozan je nesklad između okoline i našeg unutrašnjeg telesnog sata: Sunčeva svetlost nam govori da je sredina popodneva, ali naš unutrašnji sat nam govori da je vreme za spavanje. Ovaj sat –takođe poznat kao telesni cirkadijalni sat ili cirkadijalni oscilator– kontroliše biološki ritam našeg tela. On je evolutivna adaptacija na život na planeti koja se okreće, gde količina svetlosti i temperatura variraju tokom 24-časovnog perioda, a to utiče na naš ciklus sna, metabolizam i druge aspekte naše fiziologije. Reč “cirkadijalni” potiče od latinske reči ‘circa’, što znači oko, i ‘dies’, što znači dan.

Cirkadijalni ritmovi su prvi put uočeni kod biljaka, sa najranijim zapisima poreklom iz 4. veka pre nove ere, kada je admiral flote Aleksandra Velikog opisao dnevne ritmove lista indijske urme. Čarls Darvin (Charles Darwin) je opisao “pokrete spavanja” kod listova u svojoj knjizi “The Power of Movement in Plants” iz 1880. godine, nakon što je primetio da se listovi biljke Medicago savijaju u toku noći. Dakle, ako biljke imaju telesni sat, da li to znači da bi biljka mogla da pati od džet- lega?
 

Ispitivanje cirkadijalnih ritmova

Pošto su naši cirkadijalni ritmovi kontrolisani od strane unutrašnjeg sata, ritmovi nastavljaju da se odvijaju čak i kada su uslovi sredine (kao na primer količina svetlosti) konstantni. Ovo ih čini kompleksnijim za proučavanje od diurnalnih ritnova, koji su prosti odgovori na uslove sredine, i koji se više ne dešavaju kada su uslovi konstantni. Većina dnevnih ritmova su u stvari cirladijalni, ali postoji jednostavan test za proveru da li je biološki proces stvarno cirkadijalni ritam ili ne. Naučnici prvo izlože organizam (biljku ili životinju) 24-časovnom ciklusu stimulacije (npr. 12 sati svetlosti, a potom 12 sati tame). Zatim, organizam se stavlja pod konstantne uslove (npr. neprekidno svetlo) i proces se meri u periodu od nekoliko dana. Ako se zapaženi ritam (kao na primer ciklus budnosti i sna ili ciklične promene telesne temperature) održava i kada su uslovi konstantni, kontroliše ga unutrašnji telesni sat i nije u pitanju prost odgovor na uslove sredine (slika 1). Ovaj test je sproveden na mnogim organizmima, pa sada znamo da sisari, insekti, biljke, pa čak i neke bakterije imaju prave cirkadijalne/biološke satove.

 

Figure 1: Experimental test to identify a diurnal or circadian rhythm
Slika 1: Experimentalni test za identifikaciju diurnalnog ili cirkadialnog ritma
Katharine Hubbard
Diurnal rhythm: Diurnalni ritam;
24-hour rhythm ends in constant conditions, indicating a direct response to light/dark: 24-časovni ritam se prekida u konstantnim uslovima, što ukazuje na direktan odgovor na svetlost/tamu;
Circadian rhythm: Cirkadijalni ritam;
24-hour rhythm persists in constant conditions, indicating that it is controlled by an internal clock: 24-časovni ritam ostaje isti u konstantnim uslovima, što ukazuje na to da je kontrolisan unutrašnjim satom;
Biological marker: Biološki marker;
light: svetlost;
dark: tama;

Constant light: Konstantno osvetljenje;
Time (hours): Vreme (sati)

Biljke prate protok vremena

Sada znamo da cirkadijalni sat kontroliše skoro sve aspekte bilogije bijaka, uključujući rast, cvetanje, fotosintezu i otvaranje i zatvarnje stoma na listovima. Kod većine biljaka, stome se otvaraju neposredno pre zore da bi biljke mogle da otpočnu fotosintezu čim svetlost postane dostupna. Biljke takođe koriste svoj unutrašnji sat da “izmere” dužinu dana, koja određuje vreme cvetanja biljke. Na primer, neke bilke kratkog dana (pirinač, hrizantema) cvetaju samo kada je dužina dana kraća od kritične dužine. Hrizanteme na primer, počeće da cvetaju kada je dan kraći od njihove kritične dužine dana od 15 časova, tako da obično cvetaju u proleće i jesen. Biljke dugog dana (npr. zelena salata, spanać) imaju suprotan odgovor, tako da će cvetati samo kada dužina dana prelazi kritičnu, u leto. Suprotno ovima, biljke neutralnog dana nisu osetljive na broj sati dostupnim sa svetlom. Biljke kratkog i dugog dana sa greškom u cirkadijalnom satu cvetaju ranije ili kasnije u odnosu na to kada bi normalno, pošto ne mogu da odrede dužinu dana. Satovi koji ne funkcionišu mogu da utiču na odbrambene mehanizme biljke, sprečavajući ih da sintetišu odbrambena jedinjenja u pravilno doba dana i tako ih čineći podložnijim napadu insekata.

Cirkadijalni satovi zbog toga imaju važne implikacije u agrikulturnoj proizvodnji. Eksperimenti u kojima je kao model organizam korišćena biljka Arabidopsis pokazuju da, u kontrolisanim laboratorijskim uslovima, biljke sa nefunkcionalnim cirkadijalnim satom slabije rastu od biljaka sa funkcionalnim satom. Ovo je zbog toga što biljke sa nefunkcionalnim satom proizvode manje hlorofila i imaju niži stepen fotosinteze (Dodd et al., 2005).

Obzirom da sat kontoliše vreme cvetanja, on takođe diktira i vreme žetve za useve. Na primer, ječam koji raste u južnoj Evropi je osetljiv na dužinu dana, pa cveta u rano proleće i spreman je za žetvu u rano leto, pre nego što postane previše toplo. U severnoj Evropi, međutim, klima je hladnija; ječam koji tamo raste ima prirodnu mutaciju koja utiče na način na koji sat reguliše gene koji kontrolišu vreme cvetanja biljke, čineći biljku manje osetljivom na dužinu dana. Ova mutacija omogućava biljci da iskoristi duže dane u leto tako da je spremna za žetvu u jesen. Kao rezultat toga, kompanije koje se bave biotehnologijom pokazuju sve veće interesovanje za cirkadijalne satove, u nadi da će povećati useve manipulisanjem rada cirkadijalnog sata.

 

Research into plant circadian clocks has important implications for agricultural productivity.
Istraživanje biljnih cirkadijalnih satova ima važne implikacije za agrikulturnu proizvodnju.
stanvpetersen/pixabay.com

Genetika cirkadijalnih ritmova

Kako funkcioniše cirkadijalna regulacija? Odgovor leži u genetici biljke. Sat se sastoji od mnogobrojnih gena, koji jedni druge kontrolišu mehanizmom samoregulacije poznatim kao negativna povratna sprega. Slika 2 ilustruje kako ova genetička regulacija funkcioniše koristeći cirkadijalni sat sa dva gena. Gen A je uključen (npr. kroz proces zavisan od svetlosti)  i proizvodi protein A. Protein A zatim aktivira gen B, što rezultuje produkcijom proteina B. Protein B je represor za gen A, što znači da opada koncentracija proteina B, što omogućava da se ponovo eksprimira gen A. Ovo rezultira ciklusom u kome se protein A sintetiše u suprotno vreme od proteina B. Ako svaki od ovih regulatornih koraka traje 12 sati, dobija se 24-časovni ritam koji može da se održi u konstantnim uslovima (npr. 24 sata neprekidnog svetla).

U stvarnosti, mehanizmi koji leže u osnovi cirkadijalnih ritmova su mnogo kompleksniji od ovoga: biljni cirkadijalni sat je sačinjen od mreže sa preko 20 gena i njihovih proteina (McClung, 2019). Sat je toliko komplekasan da biolozi još uvek imaju poteškoće da razumeju sve veze koje ga sačinjavajui da predvide šta će se desiti ako se mreža naruši. Da bi se izborili sa ovim problemom, biolozi su se udružili sa matematičarima da naprave konceptualne modele cirkadijalnog sata, koji se sada koriste da pomognu u osmišljavanju eksperimenata. Na primer, napravljeni su modeli koji integrišu informacije o količini svetlosti, dostupnosti CO2 i temperaturi sa modelima ekspresije gena cirkadijalnog sata, koji se onda koriste za predviđanje brzine rasta biljke kod različite dužine dana.
 

Figure 2: Negative feedback loop for a simple circadian clock
Slika2: Negativna povratna sprega za jednostavan cirkadijalni sat
Katharine Hubbard
Lights activates expression of gene A: Svetlost aktivira ekspresiju gena A;
Protein B represses expression of gene A: Protein B inhibira ekspresiju gena A;
Protein A activates expression of gene B: Protein A aktivira ekspresiju gena B;
Gene: Gen;
Protein: Protein;
Protein concentration: Koncentracija proteina;
Time (hours): Vreme(sati)

Izbegavanje džet leg-a

Jedna od glavnih razlika između biljnog i čovečijeg cirkadijalnog sata je stepen centralne kontrole. Naš cirkadijalni/biološki sat je koordinisan od strane dela mozga koji se naziva suprahijazmatsko jedro (SCN), koje se nalazi u hipotalamusu. Tokom večeri, suprahijazmatsko jedro šalje informaciju pinealnoj žlezdi da proizvodi melatonoin, koji onda putuje kroz telo i priprema druge organe kao što su želudac i jetra, za san. Obzirom da se naš cirkadijalni sat u velikoj meri oslanja na hormone koji cirkulišu kroz krvotok, svi cirkadijalni odgovori organizma su relativno spori. Kada neko pati od džet-lega različiti delovi njegovog tela su podešeni na različite vremenske zone. Može proći nekoliko dana nakon leta pre nego što se svi delovi tela ponovo adaptiraju na isto vreme.

Ovo je veoma različito do cirkadijalnog sata biljke, za koji se misli da funkcioniše na nivou pojednačnih ćelija. Svaka ćelija u biljci ima svoje receptore za svetlost i cirkadijalni sat tako da, za razliku od ljudi, pojedinačne ćelije mogu da odgovore na svetlost. Ako pokrijete jedan deo biljke aluminijumskom folijom, možete da istrenirate jedan deo listova da misle da je dan a drugi da je noć. Ova razlika u građi sata znači da biljke mogu lakše da koriguju svoje cirkadijalne ritmove, pa ako bi biljka bila prevezena preko pola Zemljine kugle, mnogo bolje od nas bi se izborila sa vremenskom razlikom i, sve u svemu, džet-leg ne bi bio veliki problem. Za razliku od ljudi, biljke bi se izborile sa džet-legom za nekoliko sati, a ne dana.

Da li biljke mogu da se prilagode na nove vremenske zone je možda interesantna zanimljivost iz oblasti biologije, ali razumevanje bioloških procesa u osnovi biljnih cirkadijalnih ritmova naučilo nas je puno o tome kako su mreže gena regulisane – što bi moglo da nam pomogne da poboljšamo agrikulturne prinose u budućnosti.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

  • Za snimke sa ubrzanim protokom vremena koji prikazuju biljne cirkadijalne ritmove kod raličitih vrsta, posetite Plants in Motion vebstranicu.
  • Pročitajte kratak udžbenik koji predstavlja cirkadijalne ritmove kod ljudi i njihov uticaj na naše zdravlje. Pogledajte:
    • Foster R, Kreitzman L (2017) Circadian Rhythms: A Very Short Introduction. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 9780198717683
  • Američko društvo za biologiju biljaka (The American Society for Plant Biology) objavilo je nastavne materijale o cirkadijalnim ritmovima. Iako su namenjeni za studente osnovnih studija, materijali se mogu koristiti i kao dopuna na školskim časovima ili kao inspiracija za projekte. Pogledajte:
  • Pročitajte specijalno izdanje časopisa Biology povodom Nobelove Nagrade za 2017 godinu iz oblasti Fiziologije ili Medicine, koja je dodeljena trojici biologa za njihova otkrića molekularnih mehanizama koji kontrolišu cirkadijalne ritmove.

Author(s)

Katharine Hubbard je predavač biologije na Univezitetu Hull, UK (University of Hull, UK). Njen naučni rad potiče iz nauke o biljkama, sa fokusom na cirkadijalne ritmove, signalizaciju kod biljaka i odgovore biljaka na njihovu sredinu. Trenutno predaje biologiju ćelije i bilogiju biljaka na osnovnim studijama i zalaže se da uključi studente u savremena istraživanja iz biologije biljaka.


Review

Da li ste se ikada zapitali zašto neke vrste biljaka cvetaju zimi, a druge leti? Ili zašto mi spavamo tokom noći i ostajemo budni tokom dana? Odgovori na ova pitanja leže u cirkadijalnom ritmu, procesu koji se odvija kod životinja i biljaka i koji je takođe odgovoran za pojavu džet-lega. Ovaj članak istražuje biologiju cirkadijalnog ritma na jasan i precizan način, i uzima u obzir ulogu gena i hormona u regulaciji naših dnevnih ritmova. Pored razmatranja pitanja za razumevanje teksta koja se nalaze ispod, članak se može koristiti i za šire diskusije o uticaju uslova sredine na prinose biljaka, kao i uticaju klimatskih promena i poremećaja sredine na cirkadijalne ritmove.

Pitanja za diskusiju mogu da uključuju:

  • Koja je razlika između cirkadijalnih i diurnalnih ritmova?
  • Zbog ćega različite biljke cvetaju u različitim godišnjim dobima?
  • Mogu li genetske mutacije da utiču na agrikulturnu proizvodnju?
  • Zašto biljke mogu da korigiuju svoje cirkadijalne ritmove brže nego što to mogu ljudi?

Monica Menesini, nastavnica prirodnih nauka, Italija.




License

CC-BY