Lab-lavet hormon kan afsløre planters hemmelige liv

Et laboratoriedesignet hormon kan låse op for mysterier, som planter huser.

Ved at udvikle en syntetisk version af plantehormonet auxin og en konstrueret receptor til at genkende det, Howard Hughes Medical Institute (HHMI) efterforsker Keiko Torii og kolleger er klar til at afdække planters indre funktion.

Det nye værk, beskrevet 22. januar, 2018, i journalen Naturens kemiske biologi , er "et transformativt værktøj til at forstå plantevækst og udvikling, " siger Torii, en plantebiolog ved University of Washington. Den forståelse kan have store landbrugsmæssige konsekvenser, at øge muligheden, for eksempel, af en ny måde at modne jordbær og tomater på.

Til planter, hormonet auxin er konge. Blandt mange andre jobs, auxin hjælper solsikker med at spore sollys, rødder vokser nedad, og frugterne modnes. Denne brede vifte af job, samt det faktum, at hver celle i en plante både kan producere og detektere auxin, gør det vanskeligt at skille hormonets forskellige roller ad. "Det har været et kæmpe mysterium om, hvordan et så simpelt molekyle kan gøre så mange forskellige ting, " siger Torii.

Hun og hendes kolleger satte sig for at skabe en ny måde at studere planters reaktion på auxin ved at designe en laboratoriefremstillet version af hormonet, som kan kontrolleres præcist. Arbejder med syntetiske kemikere i Japan, forskerne tilføjede en lille bump til auxins struktur - kulbrinterringe, som auxin normalt ikke indeholder. Forskerne justerede derefter planters auxin-receptor, et protein, der sidder på ydersiden af ​​planteceller og detekterer auxin. Denne gang, forskerne fjernede en omfangsrig aminosyre fra receptoren, skabe et hul i perfekt størrelse, der vugger det laboratoriefremstillede auxin. Den simple kontakt, kaldet en "bump and hole"-strategi, "er virkelig elegant, rent faktisk, " siger Torii.

Næste, forskerne testede, om dette matchede sæt - det syntetiske auxin og den syntetiske receptor - kunne udføre de samme opgaver som cellernes naturlige auxin/receptor-par. Det indviklede system fungerede smukt, forsøg på rødder viste.

Normalt, rødder udsat for auxin holder op med at vokse ned, og i stedet vokse sidelæns ved at aktivere stamceller, der bryder ud af hovedroden. Torii sammenligner processen, kaldet lateral rodudvikling, til udlændinge, der sprænger gennem maverne. Efter påvisning af syntetisk auxin, Arabidopsis-planter, der er gensplejset til at producere den syntetiske auxin-receptor, opførte sig som normalt - og dyrkede de samme sideværts kugler af rodgrene.

Hvad mere er, rødder, der ikke havde den syntetiske auxin-receptor, var i det væsentlige "blinde" for syntetisk auxin, bevis på, at det kunstige hormon kun detekteres af den kunstige receptor. Torii og hendes kolleger kalder dette skifte til syntetisk auxin for "kemisk kapring" - en velkontrolleret overtagelse, der nu vil give forskere mulighed for at pirre det sammenfiltrede net af auxins job i planter fra hinanden.

Med deres system oppe og køre, forskerne testede et mangeårigt spørgsmål i plantebiologi. Forskere vidste, at spirende frøplanter bruger auxin til at vokse hurtigt. Men identiteten af ​​den nøjagtige receptor, der tillader denne proces at ske, var ikke afgjort.

Det videnskabelige samfund havde en mistænkt i tankerne. Toriis hold producerede en plante, der manglede en auxin-receptor kaldet TIR1, og i stedet besad en syntetisk version. Når de udsættes for kunstigt auxin, disse frøplanter begyndte at vokse hurtigt, opfører sig præcis, som om de havde den normale receptor. Resultaterne tyder på, at frøforlængelse faktisk sker gennem TIR1-receptoren.

Andre grundlæggende videnskabelige spørgsmål kan løses med dette system, Torii siger, såsom auxins rolle i majsmodning og åbning af stomata, de strukturer, der lader planter ånde.

En dag, syntetisk auxin kan endda finde en plads i landbruget. Auxin sprøjtes i øjeblikket på frugter for at fremskynde modningen. Men i høje koncentrationer, hormonet kan virke som et plantedræbende herbicid. Frugter konstrueret til at bære den syntetiske receptor kunne modnes med det syntetiske auxinhormon, Torii siger, eliminerer behovet for at sprøjte auxin vilkårligt. Men, hun advarer, Der skal laves meget mere test, før et syntetisk hormonsystem kan bruges til at dyrke mad.