Abstract Clonal propagation of plants by induction of adventitious roots (ARs) from stem cuttings is a requisite step in breeding programs. A major barrier exists for propagating valuable plants that naturally have low capacity to form ARs. Due to the central role of auxin in organogenesis, indole-3-butyric acid (IBA) is often used as part of commercial rooting mixtures, yet many recalcitrant plants do not form ARs in response to this treatment. Here, we describe the synthesis and screening of a focused library of synthetic auxin conjugates in Eucalyptus grandis cuttings and identify 4-chlorophenoxyacetic acid-L-tryptophan-OMe as a competent enhancer of adventitious rooting in a number of recalcitrant woody plants, including apple and argan. Comprehensive metabolic and functional analyses reveal that this activity is engendered by prolonged auxin signaling due to initial fast uptake and slow release and clearance of the free auxin 4-chlorophenoxyacetic acid. This work highlights the utility of a slow-release strategy for bioactive compounds for more effective plant growth regulation.

Auxins are a group of phytohormones that control plant growth and development. Their crucial role in plant physiology has inspired development of potent synthetic auxins that can be used as herbicides. Phenoxyacetic acid derivatives are a widely used group of auxin herbicides in agriculture and research. Despite their prevalence, the identity of the transporters required for distribution of these herbicides in plants is both poorly understood and the subject of debate. Here we show that PIN-FORMED auxin transporters transport a range of phenoxyacetic acid herbicides across the membrane and we characterize the molecular determinants of this process using a variety of different substrates as well as protein mutagenesis to control substrate specificity. Finally, we present Cryo-EM structures of Arabidopsis thaliana PIN8 with 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) or 4-chlorophenoxyacetic acid (4-CPA) bound. These structures represent five key states from the transport cycle, allowing us to describe conformational changes associated with substrate binding and transport across the membrane. Overall, our results reveal that phenoxyacetic acid herbicides use the same export machinery as endogenous auxins and exemplify how transporter binding sites undergo transformations that dictate substrate specificity. These results enable development of novel synthetic auxins and for guiding precision breeding of herbicide resistant crop plants.