Purdue University-forskarna Natalia Dudareva och Joseph Lynch har letat efter ett sätt att öka en växts produktion av fenylalanin, en förening som är viktig för växternas överlevnad och som används av människor i smaker, dofter, biobränslen, insekticider och läkemedel. Deras arbete ledde till upptäckten förra året av en tidigare okänd metabolisk väg som de trodde kunde konstrueras för att tillåta växter att producera mer fenylalanin än de gör på egen hand.

En genetisk modifiering som borde ha ökat fenylalaninproduktionen ledde till en oväntad minskning av föreningen. Detta bakslag, dock, belyst en dold koppling mellan fenylalaninbiosyntes och växthormonet auxin, som har konsekvenser för inte bara aminosyrametabolism, men också vår förståelse för tillväxt och utveckling.

"Under många år, vi visste inte hur fluktuationer genom dessa vägar var reglerade och sammankopplade med växthormoner och andra föreningar, sa Dudareva, en framstående professor i biokemi och medlem av Purdue's Center for Plant Biology, vars resultat publicerades i Naturens kemiska biologi . "Vi hittade ett överhörande med auxin, vilket kan förklara varför växter inte använder denna andra väg och skapar större mängder fenylalanin."

Växter använder fenylalanin som byggstenar för föreningar för att attrahera pollinatörer, till försvar, fortplantning, tillväxt och utveckling. Även om det är tillräckligt för dessa ändamål, mängderna är små för mänskligt bruk.

Fenylalaninproduktion sker främst i plastider, de små organellerna som kloroplaster. Men Dudareva, Lyncha, som är en Purdue-forskare, och doktorand Yichun Qian upptäckte att växter också kan producera fenylalanin i cytoplasman och kanske kan göra större mängder där.

Forskarna odlade petunior till mognad, och inducerade sedan produktion av ett enzym som skulle öka fenylalaninproduktionen i cytosolen.

"Det fungerade vackert. Vi fick en trefaldig ökning av fenylalaninsyntesen, sa Lynch.

Sedan integrerade de en gen i petunia-genomet som skulle öka produktionen av samma enzym, som borde ha gett liknande resultat. Istället, fenylalaninproduktionen ökade något i cytosolen, men tappade rejält i plastiderna. Det ledde till en total minskning av fenylalaninproduktionen.

Det beror på att både fenylalanin och auxin, ett växthormon som är nödvändigt för växttillväxt, kan använda en förening som kallas fenylpyruvat som ett substrat för biosyntes. Genom att producera mer fenylalanin i cytosolen, fenylpyruvat ökade i det utrymmet och skapade mer auxin.

Små variationer i växthormoner kan orsaka betydande utvecklingsproblem. I detta fall, ökningen av auxin ledde till produktionen av färre plastider och en minskning av fenylalaninproduktionen.

"Vår strategi för att skapa mer fenylalanin kommer inte att fungera. Vi hamnade på en återvändsgränd på grund av det oväntade överhörandet med auxin, " sa Lynch. "Vi kommer att fortsätta att försöka öka fenylalanin, men vi kommer att arbeta genom plastidvägen och försöka övervinna de flaskhalsar som begränsar produktionen där."

Dudareva sa att fynden inte bara visar hur fenylalanin och auxin är kopplade, men ge ett förslag om varför växter överhuvudtaget har den mindre ofta använda cytosoliska vägen.

Växter producerar sannolikt tillräckligt med fenylalanin genom den hårt reglerade plastidvägen och producerar inte mer för att inte kasta bort auxinbalansen. Men när en växt är skadad och behöver mer fenylalanin för försvar eller för att läka, den cytosoliska vägen kan komma i växel för att ge det som behövs.

"Det ser ut som att vägen används av växter som ett första svar på stress eller skador, Dudareva sa. "Detta är viktigt att veta eftersom det från början inte var klart om växter överhuvudtaget använde denna väg för fenylalaninbiosyntes."