Een door een laboratorium ontworpen hormoon kan mysteries ontrafelen die door planten worden gekoesterd.

Door een synthetische versie van het plantenhormoon auxine te ontwikkelen en een gemanipuleerde receptor om het te herkennen, Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Onderzoeker Keiko Torii en collega's staan ​​klaar om de innerlijke werking van planten bloot te leggen.

Het nieuwe werk, beschreven 22 januari 2018, in het journaal Natuur Chemische Biologie , is "een transformatief hulpmiddel om de groei en ontwikkeling van planten te begrijpen, " zegt Torii, een plantenbioloog aan de Universiteit van Washington. Dat begrip kan grote agrarische implicaties hebben, het verhogen van de mogelijkheid, bijvoorbeeld, van een nieuwe manier om aardbeien en tomaten te laten rijpen.

naar planten, het hormoon auxine is koning. Naast vele andere banen, auxine helpt zonnebloemen zonlicht te volgen, wortels groeien naar beneden, en vruchten rijpen. Dit brede scala aan banen, evenals het feit dat elke cel in een plant zowel auxine kan produceren als detecteren, maakt het lastig om de verschillende rollen van het hormoon uit elkaar te houden. "Het is een enorm mysterie geweest hoe zo'n eenvoudig molecuul zoveel verschillende dingen kan doen, ' zegt Torii.

Zij en haar collega's gingen op zoek naar een nieuwe manier om de reacties van planten op auxine te bestuderen door een in het laboratorium gemaakte versie van het hormoon te ontwerpen die nauwkeurig kan worden gecontroleerd. Werken met synthetische chemici in Japan, de onderzoekers voegden een kleine bobbel toe aan de structuur van auxine - koolwaterstofringen die auxine normaal niet bevat. De onderzoekers hebben vervolgens de auxine-receptor van planten aangepast, een eiwit dat aan de buitenkant van plantencellen zit en auxine detecteert. Deze keer, de onderzoekers verwijderden een omvangrijk aminozuur uit de receptor, het creëren van een perfect formaat gat dat de in het laboratorium gemaakte auxine wiegt. Die simpele schakelaar, zogenaamde "bump and hole"-strategie, "is echt elegant, eigenlijk, ' zegt Torii.

Volgende, de onderzoekers testten of deze gematchte set - de synthetische auxine en de synthetische receptor - hetzelfde werk kon doen als het natuurlijke auxine/receptor-paar van de cellen. Het ingewikkeld ontworpen systeem werkte prachtig, experimenten op wortels toonden aan.

Normaal gesproken, wortels blootgesteld aan auxine stoppen met groeien, en in plaats daarvan zijwaarts groeien door stamcellen te activeren die uit de hoofdwortel breken. Torii vergelijkt het proces, laterale wortelontwikkeling genoemd, voor buitenaardse wezens die door hun maag barsten. Na het detecteren van synthetische auxine, Arabidopsis-planten die genetisch waren gemanipuleerd om de synthetische auxinereceptor te produceren, gedroegen zich net als normaal - ze groeiden dezelfde zijwaartse kerstballen van worteltakken.

Bovendien, wortels die de synthetische auxinereceptor niet hadden, waren in wezen "blind" voor synthetische auxine, bewijs dat het kunstmatige hormoon alleen door de kunstmatige receptor wordt gedetecteerd. Torii en haar collega's noemen deze overstap naar synthetische auxine "chemische kaping" - een goed gecontroleerde overname die onderzoekers nu in staat zal stellen het verwarde web van auxine-banen in planten uit elkaar te halen.

Met hun systeem in de lucht, de onderzoekers testten een al lang bestaande vraag in de plantenbiologie. Wetenschappers wisten dat ontkiemende zaailingen auxine gebruiken om snel te groeien. Maar de identiteit van de exacte receptor die dit proces mogelijk maakt, was niet vastgesteld.

De wetenschappelijke gemeenschap had een verdachte in gedachten. Torii's team produceerde een plant die een auxinereceptor genaamd TIR1 miste. en in plaats daarvan bezat een synthetische versie. Bij blootstelling aan kunstmatige auxine, deze zaailingen begonnen snel te groeien, zich precies gedragen alsof ze de normale receptor hadden. De resultaten suggereren dat zaadverlenging inderdaad plaatsvindt via de TIR1-receptor.

Met dit systeem kunnen andere fundamentele wetenschappelijke vragen worden beantwoord, Torii zegt, zoals de rol van auxine bij het rijpen van maïs en bij het openen van de huidmondjes, de structuren die planten laten ademen.

Op een dag, synthetische auxine zou zelfs een plaats kunnen vinden in de landbouw. Auxine wordt momenteel op fruit gespoten om de rijping te versnellen. Maar in hoge concentraties het hormoon kan werken als een plantendodend herbicide. Vruchten die zijn ontworpen om de synthetische receptor te dragen, kunnen worden gerijpt met het synthetische auxinehormoon, Torii zegt, het elimineren van de noodzaak om auxine willekeurig te spuiten. Maar, ze waarschuwt, er moeten veel meer testen worden gedaan voordat een synthetisch hormoonsysteem kan worden gebruikt voor het verbouwen van voedsel.