Miljöstudier har visat att 40 % av atmosfärens koldioxid (CO2) passerar genom växtstomata varje år. Således, Att kontrollera stomatal utveckling och funktion anses vara en nyckel för att öka växtväxternas produktivitet och vattenanvändningseffektivitet. Stomata är porer som finns i växtblad som är ansvariga för gasutbytet med den omgivande miljön. Eftersom det har rapporterats att ljus och atmosfäriska CO2-nivåer påverkar antalet stomata, syntetiska kemister och växtbiologer vid Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) i Nagoya University, har bestämt sig för att utforska detta ämne med hjälp av ett kemiskt tillvägagångssätt och lyckats utveckla små molekyler för att öka antalet stomata i växtens blad. Resultatet av denna studie rapporterades i tidskriften, Kemisk kommunikation .

Med hjälp av en modell blommande växt, Arabidopsis thaliana, ITbM:s forskargrupp genomförde en kemisk screening av utvalda små molekyler som upptäckts från ITbM:s kemiska bibliotek och identifierade två molekyler (CL1 och CL2) med liknande struktur som det icke-steroida antiinflammatoriska läkemedlet, Celecoxib. Även om CL1 och CL2 ökade antalet stomata i växtblad, de var giftiga för växterna när de applicerades i höga koncentrationer.

Uppmuntrad av växtstomata ökande effekt av CL1 och CL2, teamet designade strukturen av molekylerna för att utveckla nya föreningar som kan öka antalet stomata, samtidigt som toxiciteten minimeras vid exponering av växten för föreningarna i höga koncentrationer. Teamet syntetiserade och testade små molekyler som saknade trifluormetylgruppen (CF3) i C3-positionen (ZA155) eller arylgruppen i C5-positionen (ZA099) på pyrazolen (en 5-ledad heterocykel bestående av tre kolatomer och två intilliggande kväveatomer) ring. Som ett resultat, teamet upptäckte att även om båda föreningarna ledde till en ökning av stomatala antalet, ZA155 ledde till tillväxthämning av växten, medan ZA099 inte gjorde det.

"Jag började den här forskningen när jag kom till ITbM 2015, " säger Dr Asraa Ziadi, en postdoktor vid ITbM som främst syntetiserade molekylerna. "Med min bakgrund inom metallorganisk kemi, Jag ville göra något annorlunda men ändå använda min expertis."

Det syntetiska kemiteamet leddes av professor Kenichiro Itami, centrumchefen för ITbM, och de utvecklade en snabb palladiumkatalyserad C-H-aryleringsmetodik som skulle möjliggöra direkt syntes av en rad arylpyrazolderivat från ZA099 och deras motsvarande arylbromider, i hopp om att öka antalet stomata samtidigt som man undviker tillväxthämning. Genom att använda deras nya syntetiska metod, de kunde direkt ersätta väteatomen (H) kopplad till kolatomen (C) på pyrazolringen med olika aromatiska ringar (C–H funktionalisering) för att genomföra studier av strukturaktivitetssamband.

Efter att undersöka effekten av de syntetiserade små molekylerna på antalet stomatala växter, det observerades att en klorhaltig förening (ZA139) genererade hög stomatal densitet på bladen, men var extremt giftig för växten, leder till en onormal stomatal form. Eftersom den metoxihaltiga ZA143 ledde till en liten ökning av stomatala antalet och inte var allvarligt giftigt för växten, gruppen trodde att sulfonamidanalogen ZA160 kanske skulle prestera bättre. Föreningen, dock, ökade inte antalet stomata på växtens blad och ledde till tillväxthämning.

Nästa, teamet riktade sin uppmärksamhet mot att syntetisera och testa olika anisol (metoxibensen) substituerade föreningar som kunde öka antalet stomata utan att hämma växttillväxt. Verkligen, de kunde identifiera orto-anisyl substituerad ZA144, som har metoxigruppen i orto-position, som den mest effektiva molekylen för att öka antalet stomata utan allvarlig toxicitet.

"Det bästa ögonblicket med denna forskning var att sätta upp det biologiska experimentet och se ökningen av antalet stomata på växtbladen under mikroskopet, " beskriver Ziadi. "Jag minns att jag tänkte "mina molekyler gjorde det!"; det här var en fantastisk känsla."

Biologiska experiment på växter utfördes av en grupp växtbiologer, ledd av professor Keiko Torii, en huvudutredare vid ITbM som också har en position vid University of Washington. Ziadi har arbetat nära med växtbiologen Naoyuki Uchida, som är docent i professor Toriis grupp, och talar om utmaningarna med att bedriva biologisk forskning som kemist.

"För mig, det var att förstå biologin bakom upptäckten, " säger Ziadi. "Som syntetisk kemist, din roll slutar vanligtvis när molekylen har syntetiserats. Men på ITbM, du får se vad molekylerna kan göra. Det är verkligen intressant! Jag blev väldigt fascinerad av idén att syntetisera molekyler som kan ge så visuella och tydliga förändringar i växten."

"Jag har alltid varit förvånad över att varje gång jag berättade för Asraa om effekterna av molekylerna som hon syntetiserade på stomatantal och växttillväxt, hon började syntetisera fler molekyler med bättre effekter samma dag, " beskriver Uchida. "Detta otroligt snabba samarbete mellan biologer och kemister var endast möjligt i en forskningsmiljö som vårt institut, där biologer och kemister arbetar tillsammans bredvid varandra. Vi tycker så mycket om det här samarbetet."

Nyckeln till gruppens framgång med att identifiera en liten molekyl som kan öka antalet växtstomata var utvecklingen av en CH-funktionaliseringsreaktion av syntetiska kemister som möjliggör snabb derivatisering av aromatiska ringar. Denna accelererade växtbiologiska forskning för att få tillgång till en serie bioaktiva molekyler, vilket inducerar önskvärd stomatal utveckling utan att hämma växttillväxt.

Ytterligare undersökningar med deras bioaktiva pyrazolföreningar kan leda till klargörandet av mekanismen bakom pyrazolmedierad stomatal differentiering. Detta kan leda till möjlig identifiering och syntes av föreningar som kan öka biomassan genom stomatal kontroll.

"Jag lärde mig att samarbete mellan biologer och kemister är mycket kraftfullt, " säger Ziadi. "Du kan lära dig så många saker och diskutera projektet från olika aspekter. I mitt fall, för att bättre förstå projektet, Jag började utbilda mig om stomata och de olika mekanismer som kan vara involverade i stomatal utveckling. Det var svårt, men som tur är Jag är på ett institut där jag är omgiven av utmärkta forskare från olika discipliner."