Της Katharine Hubbard, The Conversation.
Είχατε ποτέ μια κακή περίπτωση τζετ λαγκ; Αυτό το φρικτό συναίσθημα όταν κατεβαίνετε από μια πτήση μεγάλων αποστάσεων και το σώμα σας σας λέει ότι είναι ώρα να κοιμηθείτε, αλλά ο έξω κόσμος σας λέει ότι είναι ώρα για πρωινό; Αυτά είναι τα βιολογικά αποτελέσματα του εσωτερικού ρολογιού του σώματός σας, γνωστό και ως κιρκάδιο ρολόι.
Τα φυτά, οι μύκητες και ακόμη και μερικά βακτήρια έχουν κιρκάδιο ρυθμό. Αν και τα φυτά δεν τείνουν να επιβιβάζονται σε διεθνείς πτήσεις, οποιοσδήποτε ζωντανός οργανισμός με κιρκάδιο ρολόι έχει τη δυνατότητα να υποστεί jet lagg. Αυτό είναι κάτι περισσότερο από ένα διασκεδαστικό γεγονός: θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις πληροφορίες για να κάνουμε τις καλλιέργειες πιο παραγωγικές και να αντιμετωπίσουμε την επισιτιστική ασφάλεια.
Οι πρώτες αναφορές για ένα εσωτερικό ρολόι του σώματος σε φυτά χρονολογούνται από την αρχαία Ελλάδα, όταν ο καπετάνιος ενός πλοίου μελέτησε το καθημερινό άνοιγμα και κλείσιμο των φύλλων σε ένα δέντρο ταμαρίνδου. Οι πρώτες συστηματικές παρατηρήσεις των φυτικών κιρκάδιων ρυθμών διεξήχθησαν το 1700 από τον Γάλλο επιστήμονα Jean-Jacques d’Ortous de Mairan που μελέτησε το ρυθμικό άνοιγμα και κλείσιμο των φύλλων του Mimosa pudica (ένα φυτό της οικογένειας μπιζελιών). Ο De Mairan παρατήρησε ότι αυτοί οι κύκλοι επιμένουν ακόμη και όταν το φυτό βρισκόταν σε συνεχές σκοτάδι. Αυτό έδειξε ότι οι κινήσεις των φύλλων δεν ήταν απόκριση στις αλλαγές στις συνθήκες φωτισμού, αλλά ελέγχονταν από το ίδιο το φυτό. Αυτός είναι ο ορισμός του κιρκάδιου ρυθμού.
Πώς τα φυτά λένε την ώρα
Τώρα γνωρίζουμε ότι αυτοί οι ρυθμοί ελέγχονται από ένα γενετικό δίκτυο που βρίσκεται μέσα σε κάθε φυτικό κύτταρο. Περίπου 20 γονίδια ελέγχουν τον κιρκάδιο ρυθμό στα φυτά. Αυτά τα γονίδια ενεργοποιούν και απενεργοποιούν το ένα το άλλο σε ένα περίπλοκο κύκλωμα, δημιουργώντας έναν ρυθμό 24 ωρών. Αυτό το κύκλωμα ελέγχου ενεργοποιεί επίσης άλλα γονίδια στο γονιδίωμα του φυτού. Ορισμένα γονίδια ενεργοποιούνται την αυγή, ακολουθούμενα από γονίδια που απαιτούνται αργότερα το πρωί, αλλά απενεργοποιούνται το απόγευμα. Για παράδειγμα, τα γονίδια που σχετίζονται με τη φωτοσύνθεση ενεργοποιούνται συνήθως το πρωί για να αξιοποιήσουν στο έπακρο το φως της ημέρας, ενώ τα γονίδια που σχετίζονται με την ανάπτυξη είναι συνήθως ενεργά τη νύχτα.
Εργαστηριακά πειράματα αποδεικνύουν ότι εάν κάποιο από αυτά τα γονίδια ελέγχου του κιρκάδιου μεταλλάσσεται (που σημαίνει ότι η γενετική τους αλληλουχία μεταβάλλεται έτσι ώστε να μην λειτουργούν πλέον σωστά) τότε το ρολόι του φυτού μπορεί να επιταχυνθεί για να δώσει μικρότερο ρυθμό, να επιβραδυνθεί για να δώσει έναν μακρύ κύκλο, ή να σταματήσει να λειτουργεί εντελώς.
Μια σταδιακή αλλαγή στην έρευνα κλονίζει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες σκέφτονται για τα φυτά: είναι πολύ πιο περίπλοκα και περισσότερο σαν εμάς από όσο φαντάζεστε. Αυτό το ανθισμένο πεδίο της επιστήμης είναι πολύ ευχάριστο για να το αποδώσει κανείς σε μία ή δύο ιστορίες. Τα φυτά με μεταλλαγμένα κιρκαδικά γονίδια όχι μόνο έχουν ταχύτερα ή πιο αργά ρολόγια, αλλά καταστρέφεται η ικανότητά τους να φωτοσυνθέτουν, να αναπτύσσονται και να αναπαράγονται. Ένα φυτό με μη σταθερό κιρκάδιο ρολόι θα μεγαλώσει μόνο στο μισό μέγεθος ενός κανονικού φυτού υπό εργαστηριακές συνθήκες.
Σχεδόν κάθε διαδικασία που έχουν εξετάσει οι επιστήμονες στα φυτά ρυθμίζεται από το εσωτερικό ρολόι σε κάποιο βαθμό. Ελέγχει το άνοιγμα και το κλείσιμο των πόρων των στομάτων στην κάτω πλευρά ενός φύλλου, την ανταλλαγή αερίων στη φωτοσύνθεση, την ανάπτυξη βλαστών και ριζών, την εποχική ανθοφορία και τον «χημικό πόλεμο» μεταξύ των φυτών και των ζώων που τα τρώνε. Αυτό συμβαίνει όταν ορισμένα φυτά παράγουν χημικές ουσίες που είναι τοξικές για τα ζώα.
Ενώ το μεγαλύτερο μέρος της έρευνας για τους κιρκάδιους ρυθμούς των φυτών έχει γίνει στο εργαστήριο, υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον για το πώς αυτό θα μπορούσε να εφαρμοστεί στη γεωργία για την αντιμετώπιση των προκλήσεων της παγκόσμιας επισιτιστικής ασφάλειας.
Η υπερθέρμανση του πλανήτη αποδυναμώνει την υγεία του εδάφους και σκοτώνει τους επικονιαστές, ενώ τα ακραία καιρικά φαινόμενα και ο πόλεμος είναι μεταξύ των παραγόντων που ανεβάζουν τις τιμές των τροφίμων. Έτσι, αυτή η έρευνα θα μπορούσε να γίνει απαραίτητη για την επιβίωσή μας.
Η εκμάθηση περισσότερων για το κιρκάδιο ρολόι των φυτών θα μπορούσε να αυξήσει σημαντικά την απόδοση των καλλιεργειών και να ελέγξει το χρονοδιάγραμμα της ανθοφορίας των φυτών για να προσαρμοστούν στην κλιματική αλλαγή. Για παράδειγμα, αρκετές μελέτες έχουν βρει ότι τα φυτά είναι πιο ευαίσθητα στα ζιζανιοκτόνα ανάλογα με την ώρα της ημέρας που εφαρμόζονται. Δεδομένου ότι πολλά φυτά έχουν παρόμοια ρολόγια, μπορούμε να εφαρμόσουμε τα εργαστηριακά ευρήματα σε είδη καλλιεργειών.
Αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι οι φυσικές αλλαγές στα γονίδια του ρολογιού έχουν συσχετιστεί με ανακαλύψεις στη γεωργία. Για παράδειγμα, οι ντομάτες καλλιεργούνταν αρχικά στην κεντρική Αμερική όπου η διάρκεια της ημέρας δεν αλλάζει πολύ κατά τη διάρκεια του έτους. Καθώς οι άνθρωποι άρχισαν να καλλιεργούν την εξημερωμένη ντομάτα σε πιο βόρεια γεωγραφικά πλάτη, επέλεξαν κατά λάθος μια ποικιλία με μια φυσική μετάλλαξη που είχε ως αποτέλεσμα ένα πιο αργό ρολόι. Αυτό σήμαινε ότι τα φυτά τομάτας ήταν σε θέση να αξιοποιήσουν καλύτερα τις μεγαλύτερες μέρες του καλοκαιριού και να κάνουν φωτοσύνθεση για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.
Επίσης, το κριθάρι ανθίζει την άνοιξη (ανοιξιάτικη σπορά) και το χειμώνα (φθινοπωρινή σπορά) σε διαφορετικές εποχές του χρόνου λόγω μιας γενετικής διαφοράς σε ένα γονίδιο που σχετίζεται με το κιρκάδιο ρολόι. Ως εκ τούτου, οι αγρότες σπέρνουν διαφορετικές γενετικές ποικιλίες της ίδιας καλλιέργειας σε συγκεκριμένες εποχές για να μεγιστοποιήσουν την παραγωγικότητα.
Με την ανάπτυξη της κάθετης καλλιέργειας σε εσωτερικούς χώρους, υπάρχει τεράστιο ενδιαφέρον για την κατανόηση των κιρκαδικών αποκρίσεων των φυτών στο φως, έτσι ώστε τα συστήματα φωτισμού να μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να μεγιστοποιούν την ανάπτυξη μειώνοντας ταυτόχρονα την κατανάλωση ενέργειας. Αυτό συμβαίνει επειδή η κάθετη καλλιέργεια σε εσωτερικούς χώρους επιτρέπει τον πλήρη έλεγχο του φωτισμού, σε αντίθεση με όταν καλλιεργούμε φυτά σε εξωτερικούς χώρους ή στο σπίτι μας. Η κατανόηση του εσωτερικού ρυθμού του φυτού μπορεί να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση της ανάπτυξης των φυτών, στον έλεγχο της καλύτερης ώρας για πότισμα και στην ένδειξη του πότε πρέπει να χρησιμοποιηθούν λιπάσματα ή άλλες χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται στη γεωργία.
Τα τελευταία 25 χρόνια έχει γίνει μια τεράστια έρευνα για τους μηχανισμούς γενετικού ελέγχου του κιρκάδιου ρολογιού. Η πρόκληση τώρα είναι να εφαρμοστεί αυτή η γνώση στη γεωργία. Είναι προς το συμφέρον μας να διασφαλίσουμε ότι κατανοούμε τα φυτά με αυτόν τον τρόπο, επειδή μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη γνώση για να καλλιεργήσουμε καλύτερα τα τρόφιμα μας και να κάνουμε τις καλλιέργειές μας πιο ανθεκτικές.
