Экологические исследования показали, что 40% атмосферного углекислого газа (CO2) ежегодно проходит через устьица растений. Таким образом, контроль за развитием и функцией устьиц считается ключом к повышению продуктивности сельскохозяйственных культур и эффективности использования воды. Устьица - это поры в листьях растений, которые отвечают за газообмен с окружающей средой. Поскольку сообщалось, что уровень света и атмосферного CO2 влияет на количество устьиц, химики-синтетики и биологи растений из Института трансформирующих биомолекул (ITbM) в Нагойском университете решили изучить эту тему с помощью химического подхода и преуспели в этом. разработка небольших молекул для увеличения количества устьиц в листьях растений. Результат этого исследования был опубликован в журнале Chemical Communications.
Используя модель цветкового растения Arabidopsis thaliana, исследовательская группа ITbM провела химический скрининг выбранных малых молекул, обнаруженных в химической библиотеке ITbM, и идентифицировала две молекулы (CL1 и CL2) со структурой, сходной с нестероидным анти- противовоспалительный препарат Целекоксиб©. Хотя CL1 и CL2 увеличивали количество устьиц в листьях растений, они были токсичны для растений при применении в высоких концентрациях.
Вдохновленные эффектом увеличения устьиц растений CL1 и CL2, команда разработала структуру молекул для разработки новых соединений, которые могут увеличить количество устьиц, минимизируя при этом токсичность при воздействии на растение соединений при высокие концентрации. Группа синтезировала и протестировала небольшие молекулы, в которых отсутствует трифторметильная (CF3) группа в положении C3 (ZA155) или арильная группа в положении C5 (ZA099) на пиразоле (5-членный гетероцикл, состоящий из трех атомов углерода и два соседних атома азота) кольца. В результате команда обнаружила, что, хотя оба соединения приводили к увеличению устьичного числа, ZA155 приводил к ингибированию роста растения, а ZA099 - нет..
«Я начал это исследование, когда пришел в ITbM в 2015 году», - говорит доктор Асраа Зиади, научный сотрудник ITbM, который в основном синтезировал молекулы. «С моим опытом в области металлоорганической химии я хотел сделать что-то другое, но при этом использовать свой опыт».
Команда синтетической химии под руководством профессора Кеничиро Итами, директора центра ITbM, разработала методологию быстрого катализируемого палладием C-H арилирования, которая позволила бы осуществлять прямой синтез ряда производных арилпиразола из ZA099 и их соответствующие арилбромиды в надежде увеличить количество устьиц, избегая ингибирования роста. Используя свой новый синтетический метод, они смогли напрямую заменить атом водорода (H), связанный с атомом углерода (C) в пиразольном кольце, различными ароматическими кольцами (функционализация C-H), чтобы провести исследования взаимосвязи структуры и активности.
При исследовании влияния синтезированных малых молекул на количество устьиц растений было обнаружено, что хлорсодержащее соединение (ZA139) создавало высокую плотность устьиц на листьях, но было чрезвычайно токсичным для растения, что приводило к аномальному устьичная форма. Поскольку метоксисодержащий ZA143 привел к небольшому увеличению числа устьиц и не был сильно токсичным для растения, группа решила, что, возможно, сульфонамидный аналог ZA160 будет работать лучше. Однако это соединение не увеличивало количество устьиц на листьях растений и приводило к ингибированию роста.
Затем команда сосредоточила свое внимание на синтезе и тестировании различных соединений, замещенных анизолом (метоксибензолом), которые могли бы увеличить количество устьиц, не препятствуя росту растений. Действительно, им удалось идентифицировать орто-анизилзамещенный ZA144, который имеет метоксигруппу в орто-положении, как наиболее эффективную молекулу для увеличения количества устьиц без серьезной токсичности.
«Лучшим моментом этого исследования была постановка биологического эксперимента и наблюдение за увеличением количества устьиц на листьях растений под микроскопом», - описывает Зиади. «Я помню, как подумал: «Это сделали мои молекулы!». Это было прекрасное чувство».
Биологические эксперименты на растениях были проведены группой биологов растений под руководством профессора Кейко Тори, главного исследователя ITbM, который также занимает должность в Вашингтонском университете. Зиади работал в тесном сотрудничестве с биологом растений Наоюки Учидой, доцентом в группе профессора Тории, и рассказывает о трудностях проведения биологических исследований в качестве химика.
«Для меня важно было понять биологию открытия», - говорит Зиади. «Как химик-синтетик, ваша роль обычно заканчивается, когда молекула синтезирована. Но в ITbM вы можете увидеть, на что способны молекулы. Это действительно интересно! и четкие изменения в растении."
«Меня всегда удивляло, что каждый раз, когда я рассказывал Асраа о влиянии молекул, которые она синтезировала, на количество устьиц и рост растений, она начинала синтезировать больше молекул с лучшими эффектами в один и тот же день», - описывает Учида. «Это удивительно быстрое сотрудничество между биологами и химиками было возможно только в такой исследовательской среде, как наш институт, где биологи и химики работают рядом друг с другом. Нам очень нравится это сотрудничество».
Ключом к успеху группы в определении небольшой молекулы, которая может увеличить количество устьиц растений, стала разработка химиками-синтетиками реакции функционализации C-H, которая позволяет быстро дериватизировать ароматические кольца. Это ускорило исследования в области биологии растений, чтобы получить ряд биоактивных молекул, которые вызывают желаемое развитие устьиц, не подавляя рост растений.
Дальнейшие исследования с использованием их биоактивных соединений пиразола могут привести к прояснению механизма устьичной дифференцировки, опосредованной пиразолом. Это может привести к возможной идентификации и синтезу соединений, которые могут увеличивать биомассу за счет контроля устьиц.
«Я понял, что сотрудничество между биологами и химиками очень эффективно», - говорит Зиади. «Вы можете узнать так много вещей и обсудить проект с разных сторон. В моем случае, чтобы лучше понять проект, я начал изучать устьица и различные механизмы, которые могут быть задействованы в развитии устьиц. Это было сложно, но, к счастью,, я нахожусь в институте, где меня окружают отличные исследователи из разных дисциплин."