Динамический контроль использования растительной воды с использованием разработанных агонистов рецепторов ABA
Растительная засуха утоляется без воды
Засуха ежегодно приносит фермерам во всем мире потери, исчисляемые миллиардами долларов.
Центральное место в эффективности водопользования станции занимают сигнальные пути, регулируемые абсцизной кислотой гормона и ее рецепторами.
Учеными был проведен скрининг пула малых молекул-кандидатов и использована структурно-управляемая конструкция для оптимизации функции агониста рецепторов абсцизной кислоты. Применение агониста защищало Арабидопсис, пшеницу и помидоры от затопления.
Экстремальные климатические явления обусловливают необходимость смягчения последствий засухи для сельского хозяйства. Вклад воды в урожайность культур варьируется в течение вегетационного периода, но достигает пика в репродуктивном развитии.
Водохозяйственные стратегии, которые позволяют экономить почвенную воду в начале вегетационного периода, резервировать воду для цветения и могут повысить урожайность при умеренной засухе.
Антитранспиранты на основе имитации абсцизной кислоты фитогормона (АБА), которая контролирует стоматологическую апертуру, используются в качестве агрохимикатов нового поколения для контроля использования воды и повышения урожайности во время засухи.
Информация о структуре и функционировании рецепторов АБА создала возможности для развития агрохимии. Современные свинцовые молекулы обладают низкой и кратковременной биологической активностью в некоторых соответствующих видах сельскохозяйственных культур, включая пшеницу, которая является самой широко выращиваемой основной культурой в мире.
Вероятно, данная ответственность является следствием неполной активации различных подклассов рецепторов АБА. Идиосинкратическая активность этих молекул частично объясняется отсутствием взаимодействия между агонистом и консервативным лизином в рецепторах АВА, которые образуют солевой мост к карбоксилату АВА. Ученые провели виртуальный скрининг для выявления агонистов-кандидатов, взаимодействующих с этим лизином.
Две структуры рецепторов ABA были использованы для проверки на соответствие базе данных ZINC - коллекции коммерческих лигандов - с использованием протоколов стыковки Glide, требующих, чтобы хиты взаимодействовали с консервативным лизином.
Были получены агонисты-кандидаты, которые были протестированы на активацию рецепторов с помощью анализа in vitro. Выявлено семейство замещенных паногонистов рецепторов фенилацетамидо-циклогексановой карбоновой кислоты АБА-рецепторов.
Также ученые пересадили оптимизированную головную группу существующего сульфонамида на карбоновые леса фенил-ацетамидо-циклогексановой кислоты, чтобы получить химерный лиганд (3CB), который показал улучшение по отношению к целевым участкам величиной до трех порядков. Анализ кристаллической структуры 3CB-PYL10 показал, что добавление к 3CB правильно расположенных гидрофобов может улучшить активность.
Была синтезирована производная 3CB, в результате чего образовался агонист, которого мы назвали опабактин (ОП) для подавленной активации рецепторов АБА. Термодинамическая характеристика реакций связывания рецепторов 3CB или OP указывает на то, что улучшения вновь созданных лесов вызваны энтальпией по отношению к сульфонамидам, что соответствует солевому мосту, наблюдаемому в нашей кристаллической структуре.
Биологические исследования показывают, что ОП в ~10 раз активнее ингибирует прорастание семян (реакция, вызванная АБА), чем сама АБА.
Эксперименты с пшеницей, помидорами, ячменем, арабидопсисом и коммелиной демонстрируют биоактивность в растительных тканях различных видов.
Эксперименты с течением времени в пшенице и помидорах с использованием тепловидения показывают, что ОП вызывает более устойчивый антитранспирантный ответ, чем АВА, и они документируют слабую активность агонистов сульфонамидов в этих двух видах.
Чтобы понять, какие рецепторы необходимы для действия ОП, были использованы мутантные штаммы Arabidopsis, чтобы показать, что для максимальной активности ОП требуются рецепторы подсемьи III PYR1, PYL1 и PYL2.
Таким образом, виртуальные скрининговые эксперименты позволили получить агонист рецепторов АБА, который функционирует как антитранспирант.
Новые агонистические леса ABA были определены и оптимизированы в соответствии с подходом, ориентированным на структуру.
Химическая биология агонистов рецепторов ABA может быть расширена путем проектирования лигандов, в которых консервативный остаток лизина помещается в карман для связывания.
Эта фармакофорическая особенность приводит к благоприятному энтальпийскому профилю связывания и более низким константам диссоциации, чем существующие сульфонамидные лиганды.
Агонист АБА, опабактин, обладает активностью в многочисленных монокотах и эвдикотах и изучает ограничения существующих молекул сульфонамида, которые изучаются в качестве инструментов смягчения последствий засухи для урожая сельскохозяйственных культур.
