Au crépuscule, les feuilles du tamarinier se ferment, dans l'attente d'une autre aube. Androsthenes, un capitaine de navire servant sous Alexandre le Grand, fit le premier récit écrit de ces mouvements de feuilles au quatrième siècle avant notre ère.
Il a fallu des siècles 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 garder une trace du temps et de coordonner leurs comportements sur des cycles de 24 heures. Il suit les cycles jour / nuit et saisonniers de la rotation quotidienne de la Terre. La recherche circadienne a tellement progressé que le prix Nobel de physiologie ou de médecine 2017 a été attribué pour le travail novateur qui a élucidé la base moléculaire sous-jacente aux rythmes circadiens.
Les biologistes comme nous étudient les horloges circadiennes chez les plantes pour comprendre comment elles affectent la santé et le bien-être de toute vie sur Terre. Alors que les chercheurs continuent à mieux comprendre le fonctionnement de ces horloges, notamment leur influence sur les interactions entre les hôtes, leurs agents pathogènes envahissants et leurs parasites, de nouvelles formes de médicaments de précision spécialement conçus à cet effet pourraient se profiler à l’horizon.
Notre pacemaker caché
Les organismes des trois domaines de la vie possèdent une incroyable diversité de rythmes circadiens. Des cyanobactéries apparemment simples alternent activité photosynthétique entre le jour et la nuit. Le champignon Neurospora crassa produit des spores tous les matins, juste avant l'aube. Les papillons migrateurs monarques utilisent un compas solaire délicat lors de 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 survolez des fuseaux horaires ou si vous effectuez un travail posté.
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 chacun. Ensemble, ils forment des boucles de rétroaction complexes qui calibrent le temps avec précision.
Bien que les gènes individuels de l'horloge ne soient pas toujours identiques dans tous les domaines de la vie, le mécanisme de rétroaction de l'oscillateur central l'est toujours. Ce mécanisme agit comme un commutateur pour synchroniser les activités quotidiennes d'un organisme avec les fluctuations diurnes et nocturnes et les autres changements environnementaux. Ces équilibres étonnants reflètent la capacité 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 à la croissance et à la bonne condition physique. C'est pourquoi un désalignement de l'horloge circadienne avec des signaux environnementaux provoque des problèmes de santé divers et de grande portée. Certaines maladies humaines, telles que le diabète, l'obésité, les maladies cardiovasculaires et certains troubles psychiatriques tels que la dépression et le trouble bipolaire, sont probablement liées au fait que les horloges circadiennes ne sont pas synchronisées avec l'environnement.
Après infection par un champignon, les plantes portant une horloge circadienne mutante (à droite) ont subi beaucoup plus de dégâts que les plantes normales (à gauche). (Hua Lu, CC BY-ND) De plus en plus de preuves relient également l'horloge circadienne à la santé des plantes. En particulier, des spécialistes des plantes ont montré qu’une horloge circadienne bien réglée est importante pour la résistance des maladies des plantes aux réseaux de pathogènes et de parasites. Bien que les plantes ne produisent pas d'anticorps et n'utilisent pas de cellules immunitaires spécialisées pour éloigner les envahisseurs, certains aspects de leur système immunitaire ressemblent au nôtre. En raison de leur facilité de culture et de manipulation génétique, certaines plantes, comme Arabidopsis, constituent des systèmes idéaux pour étudier l'influence de l'horloge circadienne sur l'évolution des maladies chez les plantes une fois infectées.
Interactions plantes-pathogènes 24 heures sur 24
Les plantes, étant immobiles, doivent allouer stratégiquement leur énergie et leurs ressources limitées face aux agents pathogènes et aux nuisibles. 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 la défense aux vrais attaquants.
Les stomates sont des petits pores à la surface de la plante qui peuvent s'ouvrir et se fermer. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) Le front de la défense des plantes est à la surface. Des caractéristiques physiques telles que les trichomes, les petits poils qui dépassent, recouvrent de manière protectrice une plante, et les revêtements de cire dissuadent les envahisseurs de s'accrocher à la surface. La surface de la plante présente également de nombreux pores en forme de bouche appelés stomates. Normalement, les stomates s'ouvrent de manière rythmée le jour et se ferment la nuit, 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, certains agents pathogènes peuvent utiliser des stomates ouvrants comme portails pour accéder aux nutriments et à l'espace à l'intérieur du tissu végétal. Les stomates de fermeture limitent l'invasion d'agents pathogènes.
Au-delà des barrières physiques de première ligne, les usines ont mis au point des systèmes de surveillance complexes pour détecter les agents pathogènes et les nuisibles en tant qu’intrus. Lorsque les récepteurs de la surface cellulaire reconnaissent un agent pathogène, la plante ferme immédiatement ses stomates au site d'invasion. Les horloges circadiennes dysfonctionnelles gênent la fermeture des stomates, entraînant une maladie plus grave.
La reconnaissance ultérieure des agents pathogènes envoie des signaux d’alerte au plus profond des tissus de la plante, activant ainsi un arsenal de réponses de défense, notamment la reprogrammation de l’expression des gènes, la production de composés antimicrobiens et l’amélioration de la signalisation de défense. Même en l'absence d'agents pathogènes, beaucoup de ces réponses montrent des changements bas mais rythmés qui sont influencés par l'horloge circadienne. Quand une véritable attaque arrive, la répétition quotidienne des systèmes de défense des usines assure une défense forte et concertée en temps voulu. Les plantes dont l'horloge est mal alignée succombent à l'attaque.
Le groupe de Xinnian Dong à l’Université de Duke est un excellent exemple d’installation dont la défense a choisi le moment de sa défense. Hyaloperonospora arabidopsidis est un agent pathogène qui dissémine ses spores virulentes le matin et provoque des maladies chez les plantes d' Arabidopsis . Le groupe de Dong a élégamment montré qu'Arabidopsis anticipait cette attaque en exprimant à l'aube un ensemble de gènes de défense qui confère une résistance à l'agent pathogène. Lorsque les chercheurs ont perturbé l'horloge circadienne d' Arabidopsis, celle-ci a supprimé la défense de ce matin et rendu la plante plus vulnérable.
Les plantes comptent également sur une défense opportune pour lutter contre les insectes. Par exemple, les planteurs de chou ont une activité alimentaire maximale avant le crépuscule. Les travaux de l'équipe de Janet Braam à l'Université Rice ont montré qu'Arabidopsis produisait l'hormone de signalisation, l'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 en produisant plus d'acide jasmonique pour empêcher 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? Jusqu'à présent, les chercheurs ne savent pas si les horloges d'agents pathogènes et d'agents nuisibles sont coordonnées avec celles de l'hôte. S'ils le sont, leur synchronisme pourrait déterminer le résultat de leurs interactions.
Les preuves actuelles indiquent que certains microbes eucaryotes, tels que Hyaloperonospora arabidopsidis et Botrytis cinerea, sont capables de manipuler l'horloge circadienne d' Arabidopsis . Même les agents pathogènes procaryotes, comme Pseudomonas syringae, malgré l'absence d'oscillateur central canonique, peuvent interférer de diverses manières avec les horloges des plantes.
Chez l'homme et la souris, certaines populations de microbiote intestinal oscillent quotidiennement, en fonction de l'horloge circadienne de l'hôte. Fait intéressant, le microbiote intestinal est capable de reprogrammer l'horloge de l'hôte. Comment se déroule cette communication? Comment peut-il influencer le résultat des interactions hôte / microbe? La recherche dans ce domaine représente un niveau fascinant et inexploré de dynamique entre hôte et envahisseur.
Des actions opportunes sur les plantes - comme les feuilles de fermeture du tamarinier remarquées par Androsthènes il y a des millénaires - pourraient éventuellement nous aider à concevoir des médicaments plus précis. (oraphan_nan / Shutterstock.com) L'horloge en tant que guérisseur et aide
La capacité à intégrer les repères 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 sur leur rôle dans la modulation de tout, du développement à la défense.
Les recherches sur l'horloge ont ouvert la possibilité d'appliquer ces connaissances à d'autres systèmes, y compris l'homme. Comment pouvons-nous modifier le cycle quotidien de certaines fonctions de défense pour renforcer l'immunité sans causer de stress au développement? À quels moments de la journée sommes-nous le plus susceptibles à certains agents pathogènes? Quelles sont les heures de la journée les plus envahissantes pour divers agents pathogènes et parasites?
Les réponses à de telles questions aideront à démêler les interactions hôte-pathogène / ravageur, non seulement chez les plantes, mais aussi chez les humains. En fin de compte, ces connaissances pourraient contribuer à la conception de médicaments de précision conçus pour renforcer la défense en temps voulu de personnes individuelles afin de lutter contre divers agents pathogènes et nuisibles. De plus, notre compréhension de la résistance aux maladies des plantes facilitera la lutte de l’agriculture contre les agents pathogènes et les ravageurs, atténuant ainsi le problème mondial de la perte de récoltes.
Les recherches en cours continuent de révéler que l'influence des rythmes circadiens s'étend aussi infiniment que les rayons du soleil.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Hua Lu, professeur agrégé de sciences biologiques à l'Université du Maryland, comté de Baltimore
Linda Wiratan, BS étudiante en biochimie et biologie moléculaire, Université du Maryland, comté de Baltimore
