Des études environnementales ont montré que 40 % du dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique passe chaque année par les stomates des plantes. Ainsi, le contrôle du développement et de la fonction des stomates est considéré comme une clé pour augmenter la productivité des plantes cultivées et l'efficacité de l'utilisation de l'eau. Les stomates sont des pores présents dans les feuilles des plantes qui sont responsables des échanges gazeux avec le milieu environnant. Comme il a été rapporté que les niveaux de lumière et de CO2 atmosphérique influencent le nombre de stomates, chimistes synthétiques et biologistes végétaux à l'Institut des biomolécules transformatrices (ITbM) de l'Université de Nagoya, ont décidé d'explorer ce sujet par une approche chimique et ont réussi à développer de petites molécules pour augmenter le nombre de stomates dans les feuilles des plantes. Le résultat de cette étude a été publié dans le journal, Communications chimiques .

En utilisant une plante à fleurs modèle, Arabidopsis thaliana, Le groupe de recherche de l'ITbM a effectué un criblage chimique de petites molécules sélectionnées découvertes dans la bibliothèque chimique de l'ITbM et a identifié deux molécules (CL1 et CL2) avec une structure similaire à celle de l'anti-inflammatoire non stéroïdien, Célécoxib. Bien que CL1 et CL2 aient augmenté le nombre de stomates dans les feuilles des plantes, ils étaient toxiques pour les plantes lorsqu'ils étaient appliqués à des concentrations élevées.

Encouragé par l'effet d'augmentation des stomates des plantes de CL1 et CL2, l'équipe a conçu la structure des molécules pour développer de nouveaux composés pouvant augmenter le nombre de stomates, tout en minimisant la toxicité lors de l'exposition de la plante aux composés à des concentrations élevées. L'équipe a synthétisé et testé des petites molécules absentes du groupe trifluorométhyle (CF3) en position C3 (ZA155) ou du groupe aryle en position C5 (ZA099) sur le pyrazole (un hétérocycle à 5 chaînons constitué de trois atomes de carbone et deux atomes d'azote adjacents). Par conséquent, l'équipe a découvert que bien que les deux composés aient entraîné une augmentation du nombre de stomates, ZA155 a conduit à une inhibition de la croissance de la plante, alors que ZA099 ne l'a pas fait.

"J'ai commencé cette recherche à mon arrivée à l'ITbM en 2015, " dit le Dr Asraa Ziadi, un chercheur postdoctoral à l'ITbM qui a principalement synthétisé les molécules. "Avec mon expérience en chimie organométallique, Je voulais faire quelque chose de différent tout en utilisant mon expertise."

L'équipe de chimie de synthèse était dirigée par le professeur Kenichiro Itami, le directeur du centre ITbM, et ils ont développé une méthodologie d'arylation C-H catalysée par palladium rapide qui permettrait la synthèse directe d'une gamme de dérivés d'aryl pyrazole à partir de ZA099 et de leurs bromures d'aryle correspondants, dans l'espoir d'augmenter le nombre de stomates tout en évitant l'inhibition de la croissance. En utilisant leur nouvelle méthode de synthèse, ils ont pu remplacer directement l'atome d'hydrogène (H) connecté à l'atome de carbone (C) sur le cycle pyrazole par divers cycles aromatiques (fonctionnalisation C–H) afin de mener des études de relation structure activité.

Après avoir étudié l'effet des petites molécules synthétisées sur le nombre de stomates des plantes, il a été observé qu'un composé contenant du chlore (ZA139) générait une densité stomatique élevée sur les feuilles, mais était extrêmement toxique pour la plante, conduisant à une forme anormale des stomates. Comme le ZA143 contenant du méthoxy a entraîné une légère augmentation du nombre de stomates et n'était pas gravement toxique pour la plante, le groupe a pensé que l'analogue sulfonamide ZA160 serait peut-être plus performant. Le composé, cependant, n'augmente pas le nombre de stomates sur les feuilles des plantes et inhibe la croissance.

Prochain, l'équipe a tourné son attention vers la synthèse et le test de différents composés substitués par l'anisole (méthoxybenzène) qui pourraient augmenter le nombre de stomates sans inhiber la croissance des plantes. En effet, ils ont pu identifier le ZA144 ortho-anisyle substitué, qui a le groupe méthoxy en position ortho, comme la molécule la plus efficace pour augmenter le nombre de stomates sans toxicité sévère.

"Le meilleur moment de cette recherche a été de mettre en place l'expérience biologique et de voir l'augmentation du nombre de stomates sur les feuilles de la plante au microscope, " décrit Ziadi. "Je me souviens avoir pensé "mes molécules ont fait ça!"; c'était une sensation formidable."

Des expériences biologiques sur les plantes ont été menées par un groupe de biologistes végétaux, dirigé par le professeur Keiko Torii, chercheur principal à l'ITbM qui occupe également un poste à l'Université de Washington. Ziadi a travaillé en étroite collaboration avec le biologiste des plantes Naoyuki Uchida, qui est professeur agrégé dans le groupe du professeur Torii, et parle des défis de la recherche biologique en tant que chimiste.

"Pour moi, c'était comprendre la biologie derrière la découverte, " dit Ziadi. " En tant que chimiste de synthèse, votre rôle se termine généralement lorsque la molécule a été synthétisée. Mais à l'ITbM, vous pouvez voir ce que les molécules peuvent faire. C'est vraiment intéressant ! J'étais très intrigué par l'idée de synthétiser des molécules qui peuvent donner des changements aussi visuels et clairs à la plante."

"J'ai toujours été surpris que, chaque fois que j'ai parlé à Asraa des effets des molécules qu'elle a synthétisées sur le nombre de stomates et la croissance des plantes, elle a commencé à synthétiser plus de molécules avec de meilleurs effets le même jour, " décrit Uchida. "Cette collaboration étonnamment rapide entre biologistes et chimistes n'a été possible que dans un environnement de recherche comme notre institut, où biologistes et chimistes travaillent côte à côte. Nous apprécions tellement cette collaboration."

La clé du succès du groupe dans l'identification d'une petite molécule pouvant augmenter le nombre de stomates des plantes a été le développement d'une réaction de fonctionnalisation C-H par des chimistes synthétiques qui permet une dérivatisation rapide des cycles aromatiques. Cette recherche en biologie végétale accélérée pour accéder à une série de molécules bioactives, qui induit un développement stomatique souhaitable sans inhiber la croissance des plantes.

D'autres recherches utilisant leurs composés pyrazole bioactifs peuvent conduire à la clarification du mécanisme derrière la différenciation stomatique médiée par le pyrazole. Cela peut conduire à l'identification et à la synthèse possibles de composés qui peuvent augmenter la biomasse grâce au contrôle des stomates.

"J'ai appris que la collaboration entre biologistes et chimistes est très puissante, " dit Ziadi. " Vous pouvez apprendre tellement de choses et discuter du projet sous différents aspects. Dans mon cas, pour mieux comprendre le projet, J'ai commencé à me renseigner sur les stomates et les différents mécanismes qui peuvent être impliqués dans le développement des stomates. C'était difficile, mais heureusement, Je suis dans un institut où je suis entouré d'excellents chercheurs de différentes disciplines."