夕暮れになると、タマリンドの木の葉は閉じ、次の夜明けを待つ。アレクサンドロス大王に仕えた船長アンドロステネスは、紀元前4世紀にこの葉の動きについて初めて文書に記録した。
彼が概日時計の作用を記述していたと判明するまでには、さらに何世紀もかかった。この体内の時間感知機構により、多くの生物は時を把握し、24時間周期に沿って行動を調整できる。地球の日々の自転がもたらす規則的な昼夜の周期や季節の周期に従うものだ。概日研究は大きく進展し、2017年のノーベル賞は、生理学・医学分野で、画期的な研究に対して授与された。その研究は、概日リズムを支える分子基盤を解明した。
私たち生物学者は、植物の概日時計を研究し、それが地球上のあらゆる生命の健康と幸福にどう影響するかを探っている。研究者たちが、これらの時計の働きについて、宿主と侵入する病原体や害虫との相互作用への影響も含めて解明を進めるなか、時刻を考慮した新たな精密医療が実現する可能性が見えてきている。
隠れたペースメーカー
生命の3つのドメインすべてに属する生物は、驚くほど多様な概日リズムを持つ。一見単純なシアノバクテリアは 昼と夜で光合成の活動を切り替える。菌類のアカパンカビは、毎朝、夜明けの直前に胞子を作る。渡りをするオオカバマダラは、繊細な太陽コンパスを使って毎年の渡りを行う。人間の活動のほぼあらゆる側面が概日時計の影響を受けている。時差のある地域へ飛行機で移動したり、交代勤務をしたりすれば、自分自身で容易に実感できる。
概日リズムを生み出す原動力は、科学者が概日時計の中心振動体と呼ぶものだ。これは、互いの活動をオン・オフにする遺伝子から成る複雑なネットワークである。それらが一体となって複雑なフィードバックループを形成し、時刻を正確に調整する。
個々の時計遺伝子は生命のドメインによって常に同じとは限らないが、中心振動体のフィードバック機構は共通している。この機構はスイッチとして働き、生物の日々の活動を昼夜の変化やその他の環境変化と同期させる。こうした驚くべき調整能力は、生物が一日のなかで変化する環境を予測する力を反映している。
正確な体内時計と健康
適切に調整された概日時計は、成長と健康な状態を保つうえで不可欠だ。そのため、概日時計が環境からの合図とずれると、多様で広範な健康上の問題が生じる。糖尿病、肥満、心血管疾患、一部の精神疾患（うつ病や双極性障害など）を含む一部の人間の病気は、概日時計が環境と同期していないことに関係している可能性が高い。
概日時計と植物の健康との関連を示す証拠も増えている。特に植物科学者は、適切に調整された概日時計が、多様な病原体や害虫に対する植物の病害抵抗性に重要であることを示している。植物は抗体を作らず、侵入者を撃退するための特殊な免疫細胞も使わないが、免疫系のいくつかの側面は私たちと似ている。栽培や遺伝子操作が容易なため、シロイヌナズナのような植物は、感染後の植物の病気の進行に概日時計がどう影響するかを調べる理想的なモデルとなる。
植物と病原体の相互作用を一日を通して見る
動くことができない植物は、病原体や害虫に直面したとき、限られたエネルギーや資源を戦略的に配分しなければならない。植物には、防御のタイミングを調整する高度な能力があり、攻撃が起きる前にその可能性を予測し、実際の攻撃者に応じて防御反応を調節できる。
植物の防御の最前線は表面にある。突き出た小さな毛である毛状突起などの物理的特徴は植物を覆って保護し、ワックス状の被膜は侵入者が表面に付着するのを防ぐ。植物の表面には、気孔と呼ばれる口のような孔も数多くある。通常、気孔は昼間にリズミカルに開き、夜間に閉じる。この過程は、光や湿度の変化を見越して概日時計により調節される。光合成や水分交換に重要な一方、気孔が開くと一部の病原体はそこを通路として植物組織内の栄養や空間にアクセスできる。気孔が閉じれば、病原体の侵入を抑えられる。
植物は、最前線の物理的障壁に加えて、病原体や害虫を侵入者として検知する複雑な監視システムを進化させてきた。細胞表面の受容体が病原体を認識すると、植物は侵入部位の気孔をただちに閉じる。概日時計の機能不全は気孔の閉鎖を妨げ、病気をより深刻にする。
病原体がさらに認識されると、警報信号が植物組織の奥深くに伝わり、遺伝子発現の再プログラム化、抗菌化合物の生成、防御シグナル伝達の強化など、多様な防御反応が作動する。病原体がいないときでさえ、こうした反応の多くには、概日時計の影響を受けた小さいながらもリズミカルな変化が見られる。実際の攻撃が起きたとき、植物が日々防御システムを予行演習していることで、強力で連携の取れた、時機を得た防御が可能になる。体内時計がずれた植物は攻撃に屈する。
植物が防御のタイミングを調整する優れた例の一つは、デューク大学の董新年氏の研究グループによるものだ。Hyaloperonospora arabidopsidisは、朝に病原性の高い胞子をまき散らし、シロイヌナズナに病気を引き起こす病原体である。董氏の研究グループは、シロイヌナズナが夜明けに一連の防御遺伝子を発現させ、この病原体への抵抗性を獲得して攻撃を予測することを見事に示した。研究者たちがシロイヌナズナの概日時計を乱すと、この朝の防御が失われ、植物はより感染しやすくなった。
植物は、昆虫を撃退するためにも、適切なタイミングで防御する。例えば、キャベツルーパーは夕暮れ前に摂食活動が最も盛んになる。ライス大学のジャネット・ブラーム氏の研究グループによる優れた研究は、シロイヌナズナが攻撃を予測して、防御シグナルを伝えるホルモンであるジャスモン酸を正午に最も多く生成することを示した。昆虫が実際に攻撃すると、概日時計は正午のこの防御反応を強化し、昆虫の摂食を抑えるために、より多くのジャスモン酸を生成する。
体内時計はペアで踊るのか？
これらの例が示すように、病原体や害虫も独自の概日時計を持ち、活動に最適な時刻を決めるために利用している。この能力は宿主への侵入にどう影響するのだろうか。病原体や害虫の時計が宿主の時計と連動しているかどうか、研究者たちはまだ確信を持てていない。連動しているなら、どれほど同期しているかが相互作用の結果を左右する可能性がある。
現在の証拠は、次のような一部の真核微生物、すなわちHyaloperonospora arabidopsidisやBotrytis cinereaが、シロイヌナズナの概日時計を操作できることを示している。Pseudomonas syringaeのような原核生物の病原体も、典型的な中心振動体を持たないにもかかわらず、さまざまな方法で植物の体内時計に干渉できる。
人間やマウスでは、腸内細菌叢の一部の集団が毎日変動し、その変動は宿主の概日時計に左右される。興味深いことに、腸内細菌叢は宿主の体内時計を再プログラム化できる。この生物界を越えたコミュニケーションはどのように起きるのだろうか。宿主と微生物の相互作用の結果にどう影響するのだろうか。この分野の研究は、宿主と侵入者の関係における、興味深く未解明な領域をなしている。
癒やし、支える体内時計
時間の合図を発達や環境からの攻撃への反応と統合する能力は、進化による適応である。植物は、生物の発達から防御まで、あらゆる過程の調節における概日リズムの役割について、生物学者に多くのことを教えてきた。
体内時計の研究は、この知見を人間を含む他のシステムに応用する機会を開いてきた。発達にストレスを与えずに免疫力を高めるには、防御に関わる特定の機能の日々の周期をどう変えればよいだろうか。私たちが特定の病原体に最も感染しやすいのは一日のうちいつだろうか。さまざまな病原体や害虫が最も侵入しやすいのは一日のうちいつだろうか。
こうした問いへの答えは、植物だけでなく人間においても、宿主と病原体や害虫との相互作用を解明する助けとなる。最終的には、この知見が、一人ひとりに合わせて適切なタイミングの防御を強化し、さまざまな病原体や害虫と闘う精密医療の設計に役立つ可能性がある。さらに、植物の病害抵抗性に関する理解は、病原体や害虫の農業的防除に役立ち、世界的な課題である作物損失の軽減につながる。
現在も続く研究によって、概日リズムの影響が太陽光線のように限りなく広がることが明らかになりつつある。
