urinenzyminhibitor NBPT

Urea som kvælstofgødning er den vigtigste gødning i verdens landbrug. Ureaen i jorden nedbrydes imidlertid hurtigt af ureaseenzymet i jorden for at nedbryde en stor mængde kvælstoftab og reducere udnyttelseseffektiviteten af urinstofkvælstof. På samme tid øges koncentrationen af ammoniak i jorden på grund af hydrolyse af urinstof. Dette er giftigt for frøspredning og planter. Anvendelsen af en urin-enzym-inhibitor til at inhibere hydrolysen af urinstof er blevet foreslået som en af de vigtige metoder til løsning af ovenstående problemer. Urinenzymhæmmere kan øge effektiviteten af overfladebefrugtning (urinstof) ved at reducere nedbrydning af ammoniak til nedbrydning af ammoniak.

NBPT urin enzym-hæmmere har følgende egenskaber: NBPT har højere hæmmeraktivitet i urin enzym under almindelige jord- og klimatiske forhold. NBPT kan reducere risikoen for frøstoksicitet, reducere ammoniakvolatilisering og øge afgrødeudbyttet og proteinindholdet i væsentlig grad. NBPT har ingen skadelige virkninger på mennesker, afgrøder og mennesker, som forbruger og forbruger afgrøder.

NBPT

Applikationer: Fine kemiske anlæg.
Produktionsbetingelser: Der skal være vand, el, damp og andre offentlige værker.

På trods af den udbredte anvendelse af ureasehæmmere i landbruget er der lidt information tilgængelig om deres virkning på kvælstofoptagelse og -assimilering. Formålet med dette arbejde var at undersøge, på fysiologisk og transkriptionsniveau, virkningerne af N- (n-butyl) thiophosphortriamid (NBPT) på urinstofnæring i hydroponisk dyrkede majsplanter. Tilstedeværelsen af NBPT i næringsopløsningen begrænsede planternes kapacitet til at udnytte urinstof som en N-kilde; dette blev vist ved et fald i ureaoptagelseshastigheden og 15N akkumulering. Det bemærkelsesværdige var, at disse negative virkninger kun var tydelige, når planter blev fodret med urea, da NBPT ikke ændrede 15N akkumulering i nitratfodret planter. NBPT svækkede også væksten af Arabidopsis planter, når urinstof blev anvendt som N-kilde, uden at have nogen virkning på planter dyrket med nitrat eller ammonium. Dette svar var i det mindste delvist relateret til en direkte virkning af NBPT på urea-transportsystemet med høj affinitet. Virkningen af NBPT på ureaoptagelse blev yderligere evalueret ved anvendelse af linjer af Arabidopsis, der overudtrykker ZmDUR3 og dur3-knockout; resultater tyder på, at ikke alene transport, men også urinstofassimilering kan blive hæmmet af inhibitoren. Denne hypotese blev forstærket af en overophopning af urinstof og et fald i ammoniumkoncentration i NBPT-behandlede planter. Desuden viste transkriptionelle analyser det i majsrødder NBPT behandling svækkede ekspressionen af gener involveret i den cytosoliske vej af ureisk-N assimilering og ammoniumtransport. NBPT begrænsede også udtrykket af et gen, som koder for en transkriptionsfaktor, der er stærkt induceret af urinstof og muligvis spiller en afgørende rolle i reguleringen af dets erhvervelse. Dette arbejde viser, at NBPT kan forstyrre urinstofnæring i majsplanter, begrænsende tilstrømning såvel som den følgende assimileringsvej.

Introduktion

Urea er den mest anvendte nitrogen (N) gødning i verden med et årligt beløb på over 50 millioner tons, der tegner sig for mere end 50% af verdens N-gødningsforbruget (International Fertilizer Industry Association, 2008). Den utrolige stigning i anvendelsen af urinstofgødning i de sidste årtier skyldes hovedsageligt den konkurrencedygtige pris og det høje N-indhold (46% af massen), hvilket gør det muligt at reducere transport- og distributionsomkostningerne (Miller and Cramer, 2004).

Selvom eksperimentelle beviser rapporterede planternes evne til at anvende urinstof som sådan, når de blev leveret ved bladanvendelse (Wittwer et al., 1963, Nicolaud og Bloom, 1998; Witte et al., 2002) er en fælles agronomisk praksis at give urinstof til afgrøder ved jordgødning. Udover at anvende uorganiske N-kilder har planter, herunder afgrøder, vist sig at være i stand til at optage intakt urinstof (for review, se Kraiser et al., 2011; Nacry et al., 2013). Især har majsplanter dedikerede transmembrantransportsystemer i rodceller til opkøb af urinstof med høj og lav affinitet medieret af henholdsvis en DUR3 transportør og aquaporiner (Gaspar et al., 2003; Gu et al., 2012; Zanin et al., 2014; Liu et al., 2015; Yang et al., 2015).

I jordopløsningen er stabiliteten af urinstof strengt afhængig af aktiviteten af den mikrobielle urease, et nikkelafhængigt enzym, som ubiquitøst udtrykkes i mikroorganismer og frigives til jord (Watson et al., 1994). Desuden kan ureaseaktivitet fortsætte i jorden selv efter mikroorganismernes forfald (Watson et al., 1994). Dette enzym katalyserer hydrolysen af urinstof til ammonium og kuldioxid, og dets aktivitet er proportional med den mikrobielle biomasse, som igen afhænger af mængden af organisk stof og vandindholdet i jorden. Ammonium kunne forblive i denne form som udskiftelig kation eller fordampet i form af ammoniak; det kunne også fungere som et substrat for nitrifikationsprocessen, der blev transformeret til nitrat. I det mindste i korte perioder kan urinstofgødning således resultere i samtidig eksponering af planterødder til urea, ammonium og nitrat (Mérigout et al., 2008b).

Hovedsageligt på grund af ammoniakfordampning og nitratudvaskning vil den hurtige hydrolyse af urinstof føre til en nedsat N tilgængelighed for plantens ernæring og en lavere brugseffektivitet af urinstofgødning (Zaman et al., 2008). Så en af de mest anvendte strategier til at reducere ammoniakemissioner fra urinstofgødning er at anvende ureasehæmmere. Udover at bremse urinstofhydrolyse tillader disse molekyler diffusionen af urinstof langt væk fra applikationsstedet, der favoriserer dets optagelse som et intakt molekyle ved plantens rødder.

Den mest lovende og testede jordureasehæmmer er NBPT (handelsnavnet Agrotain®), hvis aktivitet er forbundet med omdannelsen til dets oxiderede form (Watson, 2005). NBPT er en strukturel analog af urinstof (Medina og Radel, 1988), der virker med blandet inhibering på ureaseaktivitet (øget Km og nedsat Vmax; Juan et al., 2009). Molekylære dynamiske beregninger viste, at NBPT koordinerer begge nikkelatomer på det ureaseaktive sted og binder oxygenatomet af urinstofafledt carbamat (Manunza et al., 1999).

Det er ikke usædvanligt at finde markedsføringsformuleringer indeholdende urinstof i kombination med ureasehæmmer (Watson, 2005). Eksperimentelle beviser er blevet vist, som viser, at ureaseinhibitorernes aktivitet kunne påvirkes af miljøfaktorer såsom pH (Hendrickson og Douglass, 1993), temperatur (Hendrickson og O'Connor, 1987) og jordfugtighedsindhold (Sigunga et al. 2002; Clough et al., 2004).

Begrænsede oplysninger er tilgængelige om NBPT's fysiologiske virkninger i planter (Watson og Miller, 1996; Cruchaga et al., 2011). Det er blevet rapporteret, at nogle arter viste synlige symptomer på toksicitet, når planterne blev behandlet med urea og NBPT med den transiente udvikling af bladskår og nekrotiske bladmarginer (Watson og Miller, 1996; Artola et al., 2011; Cruchaga et al., 2011). Cruchaga et al. (2011) rapporterede, at NBPT optages af ærter og spinatrødder og translokeres til bladene; således kan NBPT tænkes hæmmer aktiviteten af endogen blad og rod urease (Watson og Miller, 1996; Artola et al., 2011; Cruchaga et al., 2011; Ariz et al., 2012). Endvidere reduceres glutaminsyntetaseaktivitet og aminosyreniveau i nærvær af NBPT (Artola et al., 2011; Cruchaga et al., 2011). Samlet set viste disse resultater, at ureasehæmmeren kompromitterede brugen af urinstof som en kilde til N til planter, men der er stadig mangel på viden om de fysiologiske og molekylære aspekter af NBPT-virkninger på erhvervelsen af denne N-kilde.

Formålet med den igangværende forskning var at undersøge de kortfristede virkninger af NBPT på majsplanternes evne til at erhverve urinstof. Tidligere undersøgelser fra vores gruppe beskrev in vivo højaffinitetstransportsystemet af urinstof i majsrødder og viste, at urinstof hurtigt fremkalder dets erhvervelse (Zanin et al., 2014). Derfor blev NBPT's handling undersøgt i funktionaliteten af den inducerbare komponent af højaffinitets-tilstrømningssystemet. Fysiologiske data blev understøttet ved analyse af ændringer i transkriptionen af gener, der vides at blive moduleret af urinstof.