zaviralec encima urina NBPT

Urea kot dušikovo gnojilo je najpomembnejše gnojilo v svetovnem kmetijstvu. Vendar se urea v tleh hitro razgradi z encimom ureaze v tleh, da razpade veliko količino izgube dušika in zmanjša izkoristek sečninskega dušika. Hkrati se zaradi hidrolize sečnine poveča koncentracija amonijaka v tleh. To je strupeno za kalitev semena in rastline. Uporaba inhibitorja urinskih encimov za inhibiranje hidrolize sečnine je bila predlagana kot ena od pomembnih metod za reševanje zgoraj navedenih problemov. Zaviralci encimov v urinu lahko povečajo učinkovitost površinske oploditve (sečnine) z zmanjšanjem razgradnje amoniaka in razgradnjo amoniaka.

NBPT inhibitorji urinskih encimov imajo naslednje značilnosti: NBPT ima večjo inhibitorno aktivnost encimov v urinu v skupnih talnih in podnebnih razmerah. NBPT lahko zmanjša tveganje za toksičnost semena, zmanjša izhlapevanje amoniaka in znatno poveča donos pridelka in vsebnost beljakovin. NBPT nima škodljivih učinkov na ljudi, pridelke in ljudi, ki uživajo in uživajo pridelke.

NBPT

Aplikacije: Fine kemične rastline.
Proizvodni pogoji: Obstajati morajo objekti za vodo, elektriko, paro in druga javna dela.

Kljub široki uporabi inhibitorjev ureaze v kmetijstvu je na voljo malo informacij o njihovem učinku na absorpcijo in asimilacijo dušika (N). Namen tega dela je bil proučiti, na fiziološki in transkripcijski ravni, učinke N- (n-butil) tiofosforjevega triamida (NBPT) na hranjenje sečnine v hidroponično gojenih koruznih rastlinah. Prisotnost NBPT v hranilni raztopini je omejila zmogljivost rastlin, da uporabljajo sečnino kot vir N; to se je pokazalo z zmanjšanjem stopnje absorpcije sečnine in kopičenja 15N. Omeniti je treba, da so bili ti negativni učinki razvidni šele, ko so bile rastline krmljene z sečnino, saj NBPT ni spremenil kopičenja 15N v rastlinah, ki so jih krmili nitrati. NBPT je prav tako otežil rast rastlin Arabidopsis, ko je bila sečnina uporabljena kot N-vir, medtem ko ni vplivala na rastline, gojene z nitratom ali amonijem. Ta odziv je bil vsaj delno povezan z neposrednim učinkom NBPT na visoko afinitetni sistem za transport sečnine. Vpliv NBPT na prevzem sečnine je bil nadalje ocenjen z uporabo linij Arabidopsis, ki prekomerno izražajo ZmDUR3 in dur3-knockout; Rezultati kažejo, da lahko zaviralec ogrozi ne le transport, ampak tudi asimilacijo sečnine. Ta hipoteza je bila okrepljena s prekomernim kopičenjem sečnine in zmanjšanjem koncentracije amonija v rastlinah, ki so bile obdelane z NBPT. Tudi transkripcijske analize so pokazale, da pri koreninah koruze NBPT zdravljenje je močno poslabšalo izražanje genov, ki sodelujejo pri citosolni poti asimilacije ureik-N in transporta amonija. NBPT je tudi omejil ekspresijo gena, ki kodira za transkripcijski faktor, ki ga je močno inducirala sečnina, in morda igra ključno vlogo pri regulaciji njegove pridobitve. To delo zagotavlja dokaze, da lahko NBPT močno vpliva na prehrano sečnine v rastlinah koruze, kar omejuje priliv kot tudi naslednjo asimilacijsko pot.

Uvod

Urea je najpogosteje uporabljena dušikova (N) gnojila na svetu, z letno količino več kot 50 milijonov ton, kar predstavlja več kot 50% svetovne porabe N gnojil (International Fertilizer Industry Association, 2008). Izjemno povečanje porabe sečnine v zadnjih desetletjih je predvsem posledica njegove konkurenčne cene in visoke vsebnosti N (46% mase), kar omogoča zmanjšanje stroškov transporta in distribucije (Miller in Cramer, 2004).

Čeprav eksperimentalni dokazi kažejo na sposobnost rastlin, da uporabljajo sečnino per se, ko se dobavljajo z uporabo listov (Wittwer et al., 1963; Nicolaud in Bloom, 1998; Witte et al., 2002), je skupna agronomska praksa, da se sečnina dobavlja pridelka z gnojenjem tal. Poleg uporabe anorganskih virov N so rastline, vključno s pridelki, pokazale, da lahko sprejmejo nedotaknjeno sečnino (za pregled glej Kraiser et al., 2011; Nacry idr., 2013). Predvsem rastline koruze imajo namenske transmembranske transportne sisteme v celicah korenin za pridobivanje sečnine z visoko in nizko afiniteto, ki jo posreduje transporter DUR3 in akvaporini (Gaspar et al., 2003; Gu et al., 2012; Zanin et al. al., 2014; Liu et al., 2015; Yang et al., 2015).

V raztopini v tleh je stabilnost sečnine strogo odvisna od aktivnosti mikrobne ureaze, encima, ki je odvisen od niklja, in je v celoti izražen v mikroorganizmih in sproščen v zemljo (Watson et al., 1994). Poleg tega lahko aktivnost ureaze ostane v tleh tudi po razpadu mikroorganizmov (Watson et al., 1994). Ta encim katalizira hidrolizo sečnine v amonij in ogljikov dioksid, njegova aktivnost pa je sorazmerna z mikrobno biomaso, ki je odvisna od količine organske snovi in vsebnosti vode v tleh. Amonij bi lahko ostal v tej obliki kot izmenljiv kation ali izhlapel v obliki amoniaka; lahko služi tudi kot substrat za proces nitrifikacije, ki se pretvori v nitrat. Tako lahko vsaj za kratek čas oploditev sečnine povzroči hkratno izpostavljenost korenin rastlin sečnini, amoniju in nitratu (Mérigout et al., 2008b).

Hitra hidroliza sečnine bi predvsem zaradi izhlapevanja amonijaka in izpiranja nitratov povzročila zmanjšanje razpoložljivosti N za prehrano rastlin in manjšo učinkovitost uporabe sečninskih gnojil (Zaman et al., 2008). Zato je ena izmed najbolj uporabljenih strategij za zmanjšanje emisij amoniaka iz gnojila za sečnino uporaba inhibitorjev ureaze. Poleg upočasnjene hidrolize sečnine te molekule omogočajo difuzijo sečnine daleč stran od mesta aplikacije, ki daje prednost njenemu prevzemu kot neokrnjeni molekuli s koreninami rastlin.

Najbolj obetaven in testiran inhibitor zemeljske ureaze je NBPT (trgovsko ime Agrotain®), katerega aktivnost je povezana s pretvorbo v oksidirano obliko (Watson, 2005). NBPT je strukturni analog sečnine (Medina in Radel, 1988), ki deluje z mešano inhibicijo na aktivnost ureaze (povečanje Km in zmanjšanje Vmax; Juan et al., 2009). Izračuni molekularne dinamike so pokazali, da NBPT koordinira oba atoma niklja ureaznega aktivnega mesta in veže atom kisika karbamata iz sečnine (Manunza et al., 1999).

Ni nenavadno, da najdemo tržne formulacije, ki vsebujejo sečnino v kombinaciji z inhibitorjem ureaze (Watson, 2005). Predloženi so bili eksperimentalni dokazi, ki kažejo, da na aktivnost inhibitorjev ureaze lahko vplivajo okoljski dejavniki, kot so pH (Hendrickson in Douglass, 1993), temperatura (Hendrickson in O'Connor, 1987) in vsebnost vlage v tleh (Sigunga et al., 2002, Clough et al., 2004).

Na voljo so omejene informacije o fizioloških učinkih NBPT v rastlinah (Watson in Miller, 1996; Cruchaga et al., 2011). Poročali so, da so nekatere vrste pokazale vidne simptome toksičnosti, ko so bile rastline obdelane s sečnino in NBPT, s prehodnim razvojem žganih listov in nekrotičnih robov listov (Watson in Miller, 1996; Artola et al., 2011; Cruchaga et al., 2011). Cruchaga et al. (2011) poročali, da NBPT prevzema korenine graha in špinače ter se prenašajo na listje; zato NBPT lahko domnevno zavira aktivnost endogenega listnega in koreninskega ureazo (Watson in Miller, 1996; Artola et al., 2011; Cruchaga et al., 2011; Ariz et al., 2012). Poleg tega se aktivnost glutamin sintetaze in raven aminokislin zmanjšata v prisotnosti NBPT (Artola et al., 2011; Cruchaga et al., 2011). Ti rezultati so pokazali, da je inhibitor ureaze ogrozil uporabo sečnine kot vira N za rastline, vendar še vedno primanjkuje znanja o fizioloških in molekularnih vidikih učinkov NBPT pri pridobivanju tega N-viru.

Cilj te raziskave je bil preučiti kratkoročne učinke NBPT na sposobnost koruze za pridobivanje sečnine. Prejšnje študije naše skupine so in vivo opisale visoko afinitetni transportni sistem sečnine v koreninah koruze in pokazale, da sečnina hitro inducira njeno pridobivanje (Zanin et al., 2014). Zato so v tem delu proučevali delovanje NBPT na funkcionalnost inducibilne komponente v sistemu visokega afiniteta. Fiziološke podatke smo podprli z analizo sprememb v transkripciji genov, za katere je znano, da jih modulira urea.