Flere mund kan fodres ved at øge antallet af plantens porer

Miljøundersøgelser har vist, at 40% af det atmosfæriske kuldioxid (CO2) passerer hvert år gennem plantemateriale. Dermed, at kontrollere stomatal udvikling og funktion betragtes som en nøgle til at øge afgrødeplanteproduktivitet og vandforbrugseffektivitet. Stomata er porer, der findes i planteblade, der er ansvarlige for gasudveksling med det omgivende miljø. Da det er blevet rapporteret, at lys og atmosfæriske CO2 -niveauer påvirker antallet af stomata, syntetiske kemikere og plantebiologer ved Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) i Nagoya University, har besluttet at udforske dette emne ved hjælp af en kemisk tilgang og det lykkedes at udvikle små molekyler til at øge antallet af stomata i planteblade. Resultatet af denne undersøgelse blev rapporteret i tidsskriftet, Kemisk kommunikation .

Ved hjælp af en model blomstrende plante, Arabidopsis thaliana, ITbMs forskningsgruppe udførte en kemisk screening af udvalgte små molekyler opdaget fra ITbMs kemiske bibliotek og identificerede to molekyler (CL1 og CL2) med en lignende struktur som det ikke-steroide antiinflammatoriske lægemiddel, Celecoxib. Selvom CL1 og CL2 øgede antallet af stomata i planteblade, de var giftige for planterne, når de blev påført i høje koncentrationer.

Opmuntret af plantestomatens stigende virkning af CL1 og CL2, teamet designet molekylens struktur til at udvikle nye forbindelser, der kan øge antallet af stomata, samtidig med at toksiciteten minimeres ved eksponering af planten for forbindelserne ved høje koncentrationer. Teamet syntetiserede og testede små molekyler fraværende fra trifluormethyl (CF3) gruppen i C3-positionen (ZA155) eller arylgruppen i C5-positionen (ZA099) på pyrazolen (en 5-leddet heterocyklus bestående af tre carbonatomer og to tilstødende nitrogenatomer) ring. Som resultat, teamet opdagede, at selvom begge forbindelser førte til en stigning i stomataltal, ZA155 førte til væksthæmning af planten, mens ZA099 ikke gjorde det.

"Jeg startede denne forskning, da jeg ankom til ITbM i 2015, "siger Dr. Asraa Ziadi, en postdoktor ved ITbM, der hovedsageligt syntetiserede molekylerne. "Med min baggrund inden for organometallisk kemi, Jeg ville gøre noget anderledes, men stadig bruge min ekspertise. "

Teamet for syntetisk kemi blev ledet af professor Kenichiro Itami, centerdirektør for ITbM, og de udviklede en hurtig palladiumkatalyseret C-H-aryleringsmetode, der ville muliggøre direkte syntese af en række arylpyrazolderivater fra ZA099 og deres tilsvarende arylbromider, i håb om at øge antallet af stomata og samtidig undgå væksthæmning. Ved at bruge deres nye syntetiske metode, de var i stand til direkte at erstatte hydrogen (H) -atomet forbundet til carbon (C) -atomet på pyrazolringen med forskellige aromatiske ringe (C – H -funktionalisering) for at gennemføre strukturaktivitetsforholdsundersøgelser.

Ved undersøgelse af virkningen af ​​de syntetiserede små molekyler på plantestomataltal, det blev observeret, at en chlorholdig forbindelse (ZA139) genererede høj stomatal densitet på blade, men var ekstremt giftig for planten, fører til en unormal stomatal form. Da den methoxyholdige ZA143 førte til en lille stigning i stomataltal og ikke var alvorligt giftig for planten, gruppen troede, at sulfonamidanalogen ZA160 måske ville fungere bedre. Forbindelsen, imidlertid, øgede ikke antallet af stomata på planteblade og førte til væksthæmning.

Næste, holdet vendte deres opmærksomhed mod at syntetisere og teste forskellige anisol (methoxybenzen) substituerede forbindelser, der kunne øge antallet af stomata uden at hæmme plantevækst. Ja, de var i stand til at identificere ortho-anisylsubstitueret ZA144, som har methoxygruppen i orthopositionen, som det mest effektive molekyle til at øge antallet af stomata uden alvorlig toksicitet.

"Det bedste øjeblik med denne forskning var at oprette det biologiske eksperiment og se stigningen i antallet af stomata på plantens blade under mikroskopet, "beskriver Ziadi." Jeg husker, at jeg tænkte "mine molekyler gjorde det!"; det var en fantastisk følelse. "

Biologiske forsøg på planter blev udført af en gruppe plantebiologer, ledet af professor Keiko Torii, en hovedforsker ved ITbM, der også har en stilling ved University of Washington. Ziadi har arbejdet tæt sammen med plantebiologen Naoyuki Uchida, som er lektor i professor Torii's gruppe, og taler om udfordringerne ved at udføre biologisk forskning som kemiker.

"For mig, det forstod biologien bag opdagelsen, "siger Ziadi." Som syntetisk kemiker, din rolle slutter normalt, når molekylet er blevet syntetiseret. Men på ITbM, du får at se, hvad molekylerne kan. Det er virkelig interessant! Jeg var meget fascineret af tanken om at syntetisere molekyler, der kan give sådanne visuelle og klare ændringer i planten. "

"Jeg var altid overrasket over, hver gang jeg fortalte Asraa om virkningerne af de molekyler, hun syntetiserede på stomatal og plantevækst, hun begyndte at syntetisere flere molekyler med bedre effekter samme dag, "beskriver Uchida." Dette utroligt hurtige samarbejde mellem biologer og kemikere var kun muligt i et forskningsmiljø som vores institut, hvor biologer og kemikere arbejder sammen ved siden af ​​hinanden. Vi nyder dette samarbejde så meget. "

Nøglen til gruppens succes med at identificere et lille molekyle, der kan øge antallet af plantestomata, var udviklingen af ​​en C -H -funktionaliseringsreaktion af syntetiske kemikere, der muliggør hurtig derivatisering af aromatiske ringe. Denne accelererede plantebiologiske forskning for at få adgang til en række bioaktive molekyler, som inducerer ønskelig stomatal udvikling uden at hæmme plantevækst.

Yderligere undersøgelser ved hjælp af deres bioaktive pyrazolforbindelser kan føre til afklaring af mekanismen bag pyrazol-medieret stomataldifferentiering. Dette kan føre til mulig identifikation og syntese af forbindelser, der kan øge biomasse gennem stomatal kontrol.

"Jeg lærte, at samarbejde mellem biologer og kemikere er meget kraftfuldt, "siger Ziadi." Du kan lære så mange ting og diskutere projektet fra forskellige aspekter. I mit tilfælde, at forstå projektet bedre, Jeg begyndte at uddanne mig selv om stomata og de forskellige mekanismer, der kan være involveret i stomatal udvikling. Det var svært, men heldigvis Jeg er på et institut, hvor jeg er omgivet af fremragende forskere fra forskellige discipliner. "