UMBC的生物科学教授华鲁及其同事发现，植物的昼夜节律(基本上是内部时钟)与其抵御疾病和害虫的能力之间存在新的遗传联系。这些研究结果已经制作了10年，并于本周在Nature Communications上发表。结果最终可能导致植物对致病病原体产生更强的抵抗力，并为人类疾病提供更好的治疗。
“这很酷，”卢说，“因为，在植物和动物中，人们开始研究生物钟和免疫系统之间的串扰。”
时机就是一切
为了应对细菌，真菌和其他害虫的日常攻击，植物已经发展出各种保护自己的策略。植物可以关闭它们的气孔 - 叶子上的蜡质涂层中的小开口 - 以防止一些细菌进入。他们可能会生产水杨酸和茉莉酸等化学物质来驱除细菌和昆虫。他们还制造了大量对成功防御很重要的蛋白质。
诸如关闭气孔，产生水杨酸等的行为每天都会发生，通常在某些病原体和害虫最有可能活跃的时候达到峰值。植物防御的节奏性质表明植物正在协调其内部时钟与其防御系统，以提高其防御行动的有效性。
在这项研究中，Lu及其同事首次发现LUX是植物生物钟中的中心基因，对于在一天中的特定时间调节气孔的开启和关闭以及激活由水杨酸介导的防御非常重要。和茉莉酸。
在典型的植物中，气孔在白天打开，以便能够交换光合作用所需的气体。然后他们在晚上关闭，以防止水分流失。气孔也响应白天病原体的攻击而关闭。他们对夜间袭击的反应微乎其微，因为他们已经关闭了。
然而，在具有非功能性LUX基因的植物中，Lu发现气孔在白天和夜晚都是开放的。在白天攻击期间，气孔比普通植物保持开阔。然而，在夜间袭击中，一些气孔关闭。这意味着缺乏功能性LUX基因的植物对其气孔何时开放的控制较少，允许更多的机会性病原体进入。这种区别表明LUX对于气孔驱动的防御反应的时间至关重要，将生物钟的防御系统化以一种新的方式。
Lu的研究也深入研究了LUX基因与防御化学品水杨酸和茉莉酸之间的关系。虽然众所周知，生物钟可以调节防御反应，但本文表明反过来也是如此：“适当调整的生物钟对于防御激活很重要。当防御被激活时，它可以反馈来调节生物钟，“卢说。
研究小组特别表明，正常的茉莉酸信号需要LUX的存在。反过来，茉莉酸也影响LUX和生物钟的表达。生物钟和防御信号之间的这种相互调节有助于植物平衡其能量用于正常生长和发育以及防御反应。
从农场到制药
Lu有兴趣进一步研究以确定时间如何影响植物防御系统。生物钟如何影响防御反应的多个方面?来自病原体和害虫的哪些分子会干扰植物的生物钟，从而限制其保护自身的能力?更好地了解时钟基因如何控制植物防御以及病原体如何与植物防御系统相互作用可以使农业及其他方面受益。
“病原体一直到处都是。病原体中最活跃的形式通常在一天内变化。而且，植物在一天的不同时间可以有不同的防御策略，”Lu解释说。“那么，何时才是施用杀虫剂的最佳时间?这可能取决于病原体，其感染模式以及作物的行为。我认为需要进行田间试验以确定施用化学品以达到在预防感染或感染传播方面最有效。“
减少农药的使用总量可以减少化学品流入水道的流量，降低农民的成本。减少抗生素的使用可能有助于阻止抗生素耐药性，这对人类也有益。
此外，植物不是唯一一个免疫系统活动全天波动的植物。动物系统也有每日循环。因此，“类似的想法可以应用于医学领域，”卢说。
植物和动物在分子水平上与病原体和害虫相互作用的方式之间存在相似之处。也许在将来，您的处方将附带具体的时间指示，或者您的手术将根据您的免疫系统活动进行安排。
科学在行动
卢说，她的所有研究，特别是这篇多部分的论文，都是由她的实验室成员推动的。“与这么多敬业的人合作非常棒，”她说。“没有他们，我就做不到。”
其中包括现在受雇于美国农业部的博士后张崇章和现任博士后高敏，他们是新论文的共同第一作者。五名本科生和一名高中生也参与了这个长期项目。有些实验需要在24小时内每四个小时进行一次测试，这意味着当他们正在进行时，有人正在实验室的沙发上睡觉。
总的来说，Lu的团队成员受到他们的工作可能为社会做出贡献的潜在好处的驱动。他们对提高作物产量以满足不断增长的人口，减少污染或通过改善时间和剂量来减少人类医疗副作用的前景感到兴奋。
“这个领域让我感兴趣，因为我可以看到我的作品有一些实际应用，我认为这很重要，”卢说。“这应该是每个科学家的目标 - 在现实生活中运用你的知识。”