Los estudios ambientales han demostrado que el 40% del dióxido de carbono atmosférico CO2 pasa a través de los estomas de las plantas cada año. Por lo tanto, controlar el desarrollo y la función del estoma se considera clave para aumentar la productividad de las plantas y la eficiencia del uso del agua. Los estomas son porosencontrado en las hojas de las plantas que son responsables del intercambio de gases con el medio ambiente circundante.Como se ha informado que los niveles de CO2 atmosférico y de luz influyen en el número de estomas, químicos sintéticos y biólogos de plantas en el Instituto de Biomoléculas Transformativas ITbM en NagoyaUniversity, decidió explorar este tema utilizando un enfoque químico y logró desarrollar moléculas pequeñas para aumentar la cantidad de estomas en las hojas de las plantas. El resultado de este estudio se informó en la revista, Comunicaciones químicas .
Usando una planta de floración modelo Arabidopsis thaliana , el grupo de investigación de ITbM realizó un examen químico de moléculas pequeñas seleccionadas descubiertas de la biblioteca química de ITbM e identificó dos moléculas CL1 y CL2 con una estructura similar al medicamento antiinflamatorio no esteroideo, Celecoxib ©. Aunque CL1 y CL2 aumentaronla cantidad de estomas en las hojas de las plantas, fueron tóxicas para las plantas cuando se aplicaron a altas concentraciones.
Animado por el efecto creciente de los estomas de la planta de CL1 y CL2, el equipo diseñó la estructura de las moléculas para desarrollar nuevos compuestos que pueden aumentar la cantidad de estomas, mientras minimiza la toxicidad tras la exposición de la planta a los compuestos a altas concentraciones.El equipo sintetizó y probó moléculas pequeñas ausentes del grupo trifluorometilo CF3 en la posición C3 ZA155 o del grupo arilo en la posición C5 ZA099 en el pirazol un heterociclo de 5 miembros que consta de tres átomos de carbono ydos átomos de nitrógeno adyacentes. Como resultado, el equipo descubrió que aunque ambos compuestos condujeron a un aumento en el número de estomas, ZA155 condujo a la inhibición del crecimiento de la planta, mientras que ZA099 no lo hizo.
"Comencé esta investigación cuando llegué a ITbM en 2015", dice el Dr. Asraa Ziadi, un investigador postdoctoral en ITbM que sintetizó principalmente las moléculas. "Con mi experiencia en química organometálica, quería hacer algo diferente pero aún usarmi experiencia "
El equipo de química sintética fue dirigido por el profesor Kenichiro Itami, director del centro de ITbM, y desarrollaron una metodología rápida de arilación de CH catalizada por paladio que permitiría la síntesis directa de una gama de derivados de aril pirazol de ZA099 y sus correspondientes bromuros de arilo, con la esperanza de aumentar el número de estomas mientras se evita la inhibición del crecimiento. Al usar su nuevo método sintético, pudieron reemplazar directamente el átomo de hidrógeno H conectado al átomo de carbono C en el anillo de pirazol con varios anillos aromáticos Funcionalización CH para realizar estudios de relación de actividad de estructura.
Al investigar el efecto de las moléculas pequeñas sintetizadas en el número de estomas de la planta, se observó que un compuesto que contiene cloro ZA139 generaba una alta densidad estomática en las hojas, pero era extremadamente tóxico para la planta, lo que provocaba una forma estomática anormal.Como el ZA143 que contiene metoxi condujo a un pequeño aumento en el número de estomas y no era severamente tóxico para la planta, el grupo pensó que quizás el análogo de sulfonamida ZA160 funcionaría mejor. Sin embargo, el compuesto no aumentó el número de estomas en la plantahojas y condujo a la inhibición del crecimiento.
Luego, el equipo dirigió su atención hacia la síntesis y prueba de diferentes compuestos sustituidos con anisol metoxibenceno que podrían aumentar la cantidad de estomas sin inhibir el crecimiento de las plantas. De hecho, pudieron identificar ZA144 sustituido con ortoanisilo, que tiene el grupo metoxien la posición orto, como la molécula más efectiva para aumentar el número de estomas sin toxicidad severa.
"El mejor momento de esta investigación fue establecer el experimento biológico y ver el aumento en la cantidad de estomas en las hojas de las plantas bajo el microscopio", describe Ziadi. "Recuerdo haber pensado" ¡mis moléculas hicieron eso! "; Esto fueun gran sentimiento "
Un grupo de biólogos de plantas realizó experimentos biológicos en plantas, dirigido por la profesora Keiko Torii, investigadora principal de ITbM que también ocupa un puesto en la Universidad de Washington. Ziadi ha trabajado en estrecha colaboración con el biólogo de plantas Naoyuki Uchida, quien es unprofesor asociado en el grupo del profesor Torii, y habla sobre los desafíos de llevar a cabo la investigación biológica como químico.
"Para mí, fue comprender la biología detrás del descubrimiento", dice Ziadi. "Como químico sintético, su papel generalmente termina cuando la molécula ha sido sintetizada. Pero en ITbM, usted puede ver qué pueden hacer las moléculas".¡Eso es realmente interesante! Estaba muy intrigado por la idea de sintetizar moléculas que puedan dar cambios tan visuales y claros en la planta ".
"Siempre me sorprendió que, cada vez que le contaba a Asraa sobre los efectos de las moléculas que sintetizaba sobre el número de estomas y el crecimiento de las plantas, comenzaba a sintetizar más moléculas con mejores efectos el mismo día", describe Uchida. "Esto es increíblemente rápidola colaboración entre biólogos y químicos solo fue posible en un entorno de investigación como nuestro instituto, donde los biólogos y los químicos trabajan juntos uno al lado del otro. Disfrutamos mucho de esta colaboración ".
La clave del éxito del grupo en la identificación de una molécula pequeña que puede mejorar el número de estomas de plantas fue el desarrollo de una reacción de funcionalización de CH por parte de químicos sintéticos que permite la derivatización rápida de anillos aromáticos. Esta investigación acelerada de biología vegetal permite acceder a una serie demoléculas bioactivas, que inducen el desarrollo deseable del estoma sin inhibir el crecimiento de las plantas.
Investigaciones adicionales usando sus compuestos bioactivos de pirazol pueden conducir a la clarificación del mecanismo detrás de la diferenciación estomática mediada por pirazol. Esto puede conducir a una posible identificación y síntesis de compuestos que pueden aumentar la biomasa a través del control del estoma.
"Aprendí que la colaboración entre biólogos y químicos es muy poderosa", dice Ziadi. "Puedes aprender muchas cosas y discutir el proyecto desde diferentes aspectos. En mi caso, para comprender mejor el proyecto, comencé a educarme sobreestomas y los diferentes mecanismos que pueden estar involucrados en el desarrollo del estoma. Fue difícil, pero afortunadamente, estoy en un instituto donde estoy rodeado de excelentes investigadores de diferentes disciplinas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Bio-Moléculas Transformativas ITbM, Universidad de Nagoya . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :