Abstract Gretchen Hagen 3 (GH3) amido synthetases conjugate amino acids to a carboxyl group of small molecules including hormones auxin, jasmonate, and salicylic acid. The Arabidopsis genome harbors 19 GH3 genes, whose exact roles in plant development have been difficult to define because of genetic redundancy among the GH3 genes. Here we use CRISPR/Cas9 gene editing technology to delete the Arabidopsis group II GH3 genes, which are able to conjugate indole-3-acetic acid (IAA) to amino acids. We show that plants lacking the eight group II GH3 genes ( gh3 octuple mutants) accumulate free IAA and fail to produce IAA-Asp and IAA-Glu conjugates. Consequently, gh3 octuple mutants have extremely short roots, long and dense root hairs, and long hypocotyls and petioles. Our characterization of gh3 septuple mutants, which provide sensitized backgrounds, reveals that GH3 . 17 and GH3 . 9 play prominent roles in root elongation and seed production, respectively. We show that GH3 functions correlate with their expression patterns, suggesting that local deactivation of auxin also contributes to maintaining auxin homeostasis and is important for plant development. Moreover, this work provides a method for elucidating functions of individual members of a gene family, whose members have overlapping functions.

Abstract Root system is critical for plant growth and development. To develop plant growth regulators functioning in root development, we performed a phenotype-based chemical screen in Arabidopsis and identified a chemical, nalacin, that mimicked the effects of auxin on root development. Genetic, pharmacological and biochemical approaches demonstrated that nalacin exerts its auxin-like activities by inhibiting indole-3-acetic acid (IAA) conjugation that is mediated by Gretchen Hagen 3 (GH3) acyl acid amido synthetases. The crystal structure of Arabidopsis GH3.6 in complex with D4 (a derivative of nalacin) together with docking simulation analysis revealed the molecular basis of the inhibition of group II GH3 by nalacin. Sequence alignment analysis indicated broad bioactivities of nalacin and D4 as inhibitors of GH3s in vascular plants, which were confirmed, at least, in tomato and rice. In summary, our work identifies nalacin as a potent inhibitor of IAA conjugation mediated by group II GH3 that plays versatile roles in hormone-regulated plant development and has potential applications in both basic research and agriculture.