En syntetisk version av auxin och dess proteinreceptor (ljusblå) nästlar sig samman, skapa ett konstruerat par som beter sig precis som det naturliga. Kredit:Keiko Torii/University of Washington/Howard Hughes Medical Institute och Shinya Hagihara/Nagoya University
Ett labbdesignat hormon kan låsa upp mysterier som hyser växter.
Genom att utveckla en syntetisk version av växthormonet auxin och en konstruerad receptor för att känna igen det, Howard Hughes Medical Institute (HHMI) utredare Keiko Torii och kollegor är redo att avslöja växternas inre funktioner.
Det nya verket, beskrivs 22 januari, 2018, i journalen Naturens kemiska biologi , är "ett transformativt verktyg för att förstå växternas tillväxt och utveckling, säger Torii, en växtbiolog vid University of Washington. Den förståelsen kan ha stora jordbrukskonsekvenser, höjer möjligheten, till exempel, ett nytt sätt att mogna jordgubbar och tomater.
Till växter, hormonet auxin är kung. Bland många andra jobb, auxin hjälper solrosor att spåra solljus, rötter växer nedåt, och frukterna mognar. Detta breda utbud av jobb, samt det faktum att varje cell i en växt både kan producera och detektera auxin, gör det svårt att reta isär hormonets olika roller. "Det har varit ett stort mysterium hur en så enkel molekyl kan göra så många olika saker, " säger Torii.
Hon och hennes kollegor satte sig för att skapa ett nytt sätt att studera växters svar på auxin genom att designa en labbtillverkad version av hormonet som kan kontrolleras exakt. Arbetar med syntetiska kemister i Japan, forskarna lade till en liten bula till auxins struktur – kolväteringar som auxin normalt inte innehåller. Forskarna justerade sedan växternas auxinreceptor, ett protein som sitter på utsidan av växtceller och detekterar auxin. Den här gången, forskarna tog bort en skrymmande aminosyra från receptorn, skapa ett hål i perfekt storlek som vaggar det labbtillverkade auxinet. Den enkla omkopplaren, kallas en "bula och hål"-strategi, "är verkligen elegant, faktiskt, " säger Torii.
I vanliga fall, hormonet auxin gör rötterna korta. En ny, syntetisk version av hormonet gör samma sak, upptäckte forskare. Exponering för ökande nivåer av syntetiskt auxin (vänster till höger) minskade rotlängden hos plantor som konstruerats för att detektera hormonet. Kredit:N. Uchida et al./ Naturens kemiska biologi 2018
Nästa, forskarna testade om detta matchade set – det syntetiska auxinet och det syntetiska receptorn – kunde göra samma jobb som cellernas naturliga auxin/receptorpar. Det intrikat designade systemet fungerade vackert, experiment på rötter visade.
I vanliga fall, rötter som utsätts för auxin slutar växa ner, och istället växa i sidled genom att aktivera stamceller som bryter ut ur huvudroten. Torii jämför processen, kallad lateral rotutveckling, till utomjordingar som spricker genom magar. Efter att ha upptäckt syntetiskt auxin, Arabidopsis-växter som är genetiskt modifierade för att producera den syntetiska auxinreceptorn betedde sig precis som vanligt - odlade samma sidledskulor av rotgrenar.
Vad mer, rötter som inte hade den syntetiska auxinreceptorn var i huvudsak "blinda" för syntetiskt auxin, bevis på att det artificiella hormonet detekteras av endast den artificiella receptorn. Torii och hennes kollegor kallar denna övergång till syntetiskt auxin för "kemisk kapning" - ett välkontrollerat övertagande som nu gör det möjligt för forskare att reta isär det trassliga nätet av auxins jobb i växter.
Med deras system igång, forskarna testade en långvarig fråga inom växtbiologi. Forskare visste att grodda plantor använder auxin för att växa snabbt. Men identiteten för den exakta receptorn som tillåter denna process att hända var inte fastställd.
Efter behandling med auxin, normala växtrötter börjar förgrena sig åt sidan. Efter behandling med syntetiskt auxin, växter konstruerade för att upptäcka hormonet gör samma sak (gropiga rotgrenar visas). Kredit:N. Uchida et al./ Naturens kemiska biologi 2018
Det vetenskapliga samfundet hade en misstänkt i åtanke. Toriis team producerade en växt som saknade en auxinreceptor som heter TIR1, och hade istället en syntetisk version. Vid exponering för artificiellt auxin, dessa plantor började växa snabbt, bete sig exakt som om de hade den normala receptorn. Resultaten tyder på att fröförlängning verkligen sker genom TIR1-receptorn.
Andra grundläggande vetenskapliga frågor kan lösas med detta system, Torii säger, såsom auxins roll i majsmognad och vid öppning av stomata, strukturerna som låter växter andas.
En dag, syntetiskt auxin kan till och med hitta en plats i jordbruket. Auxin sprayas för närvarande på frukter för att påskynda mognaden. Men i höga koncentrationer, hormonet kan fungera som en växtdödande herbicid. Frukter konstruerade för att bära den syntetiska receptorn kunde mogna med det syntetiska auxinhormonet, Torii säger, eliminerar behovet av att spraya auxin urskillningslöst. Men, hon varnar, mycket mer tester behöver göras innan ett syntetiskt hormonsystem kan användas för att odla mat.
