urine-enzymremmer NBPT

Ureum als stikstofmeststof is de belangrijkste meststof in de landbouw in de wereld. Het ureum in de grond wordt echter snel afgebroken door het urease-enzym in de grond om een grote hoeveelheid stikstofverlies te ontleden en de efficiëntie van het gebruik van ureumstikstof te verminderen. Tegelijkertijd neemt door de hydrolyse van ureum de ammoniakconcentratie in de bodem toe. Dit is giftig voor zaadontkieming en planten. Het gebruik van een urine-enzymremmer om de hydrolyse van ureum te remmen is voorgesteld als een van de belangrijke werkwijzen voor het oplossen van de bovengenoemde problemen. Urine-enzymremmers kunnen de werkzaamheid van oppervlaktebemesting (ureum) verhogen door de afbraak van ammoniak te verminderen om ammoniak te ontleden.

NBPT urine-enzymremmers hebben de volgende kenmerken: NBPT heeft een hogere enzymatische remmingsactiviteit in de urine in gemeenschappelijke bodem- en klimatologische omstandigheden. NBPT kan het risico op zaadtoxiciteit verminderen, ammoniakvervluchtiging verminderen en de oogstopbrengst en het eiwitgehalte aanzienlijk vergroten. NBPT heeft geen schadelijke gevolgen voor mensen, gewassen en mensen die gewassen eten en consumeren.

NBPT

toepassingen: Fijne chemische fabrieken.
Productie voorwaarden: Er moeten water, elektriciteit, stoom en andere voorzieningen voor openbare werken zijn.

Ondanks het wijdverbreide gebruik van ureaseremmers in de landbouw, is er weinig informatie beschikbaar over hun effect op de opname van stikstof (N) en assimilatie. Doel van dit onderzoek was om op fysiologisch en transcriptioneel niveau de effecten van N- (n-butyl) thiofosforzuurtriamide (NBPT) op ureumvoeding in hydroponisch gekweekte maïsplanten te bestuderen. Aanwezigheid van NBPT in de voedingsoplossing beperkte het vermogen van planten om ureum als een N-bron te gebruiken; dit werd aangetoond door een afname in ureumopnamesnelheid en 15N accumulatie. Opmerkelijk was dat deze negatieve effecten alleen zichtbaar waren wanneer planten met ureum werden gevoed, omdat NBPT de accumulatie van 15N in met nitraat gevoede planten niet veranderde. NBPT verminderde ook de groei van Arabidopsis-planten wanneer ureum werd gebruikt als N-bron, terwijl het geen effect had op planten gekweekt met nitraat of ammonium. Deze respons was, tenminste gedeeltelijk, gerelateerd aan een direct effect van NBPT op het ureum transportsysteem met hoge affiniteit. Het effect van NBPT op de opname van ureum werd verder geëvalueerd met behulp van lijnen van Arabidopsis die ZmDUR3 en Dur3-knock-out tot overexpressie brengen; de resultaten suggereren dat niet alleen het transport maar ook de ureumassimilatie door de remmer kan worden aangetast. Deze hypothese werd versterkt door een overaccumulatie van ureum en een afname van de ammoniumconcentratie in met NBPT behandelde planten. Bovendien toonden transcriptieanalyses aan dat in maïswortels NBPT behandeling heeft de expressie van genen die betrokken zijn bij de cytosolische route van ureic-N-assimilatie en ammoniumtransport ernstig verminderd. NBPT beperkte ook de expressie van een gen dat codeert voor een transcriptiefactor die sterk wordt geïnduceerd door ureum en mogelijk een cruciale rol speelt in de regulatie van de verwerving ervan. Dit werk levert bewijs dat NBPT de ureumvoeding in maïsplanten, de instroming en de volgende assimilatieroute sterk kan beïnvloeden.

Invoering

Ureum is de meest gebruikte stikstof (N) -meststof in de wereld met een jaarlijkse hoeveelheid van meer dan 50 miljoen ton, goed voor meer dan 50% van het wereldwijde gebruik van meststoffen (International Fertilizer Industry Association, 2008). De ongelooflijke toename van het gebruik van ureumkunstmest tijdens de laatste decennia is voornamelijk te danken aan de concurrerende prijs en het hoge N-gehalte (46% van de massa), die de transport- en distributiekosten verlagen (Miller en Cramer, 2004).

Hoewel experimenteel bewijs het vermogen van planten om ureum als zodanig te gebruiken wanneer ze door bladaanvulling worden toegevoerd (Wittwer et al., 1963; Nicolaud en Bloom, 1998; Witte et al., 2002), is een gebruikelijke agronomische praktijk het leveren van ureum aan de gewassen door bodembemesting. Naast het gebruik van anorganische N-bronnen is aangetoond dat planten, inclusief gewassen, intact ureum kunnen opnemen (voor een overzicht, zie Kraiser et al., 2011; Nacry et al., 2013). Maïsplanten hebben met name speciale transmembraantransportsystemen in de wortelcellen voor de verwerving van ureum met hoge en lage affiniteit, gemedieerd door respectievelijk een DUR3-transporter en aquaporines (Gaspar et al., 2003; Gu et al., 2012; Zanin et al., 2014; Liu et al., 2015; Yang et al., 2015).

In de bodemoplossing is de stabiliteit van ureum strikt afhankelijk van de activiteit van het microbiële urease, een nikkelafhankelijk enzym dat alom tot expressie wordt gebracht in micro-organismen en vrijkomt in de bodem (Watson et al., 1994). Bovendien kan urease-activiteit in de grond blijven bestaan, zelfs na het verval van de micro-organismen (Watson et al., 1994). Dit enzym katalyseert de hydrolyse van ureum in ammonium en kooldioxide en de activiteit ervan is evenredig met de microbiële biomassa, die op zijn beurt afhangt van de hoeveelheid organisch materiaal en het watergehalte van de grond. Ammonium zou in deze vorm kunnen blijven als uitwisselbaar kation of vervluchtigd in de vorm van ammoniak; het kan ook dienen als substraat voor het nitrificatieproces dat wordt omgezet in nitraat. Aldus kan, ten minste gedurende korte tijdsperioden, ureum-bevruchting resulteren in een gelijktijdige blootstelling van plantenwortels aan ureum, ammonium en nitraat (Mérigout et al., 2008b).

Vooral door ammoniakvervluchtiging en nitraatuitspoeling zou de snelle hydrolyse van ureum leiden tot een verminderde N-beschikbaarheid voor plantenvoeding en tot een lagere gebruiksefficiëntie van ureummeststoffen (Zaman et al., 2008). Een van de meest gebruikte strategieën om ammoniakemissies van ureumkunstmest te verminderen, is om ureaseremmers toe te passen. Naast het vertragen van de ureumhydrolyse, maken deze moleculen het mogelijk dat de diffusie van ureum ver weg van de toedieningsplaats de voorkeur geeft aan de opname ervan als een intact molecuul door de plantenwortels.

De meest veelbelovende en geteste bodemurease-remmer is de NBPT (handelsnaam Agrotain®), waarvan de activiteit verband houdt met de omzetting in de geoxideerde vorm (Watson, 2005). NBPT is een structureel analoog van ureum (Medina en Radel, 1988) werkend met gemengde remming van urease-activiteit (verhoogde Km en verlaagde Vmax; Juan et al., 2009). Moleculaire dynamische berekeningen toonden aan dat NBPT zowel nikkelatomen van de urease-actieve plaats coördineert en het zuurstofatoom van het van ureum afgeleide carbamaat bindt (Manunza et al., 1999).

Het is niet ongebruikelijk om marketingformuleringen te vinden die ureum bevatten in combinatie met ureaseremmer (Watson, 2005). Experimenteel bewijs is geleverd waaruit blijkt dat de activiteit van ureaseremmers kan worden beïnvloed door omgevingsfactoren zoals pH (Hendrickson en Douglass, 1993), temperatuur (Hendrickson en O'Connor, 1987) en bodemvochtgehalte (Sigunga et al., 2002; Clough et al., 2004).

Er is beperkte informatie beschikbaar over de fysiologische effecten van NBPT in planten (Watson and Miller, 1996; Cruchaga et al., 2011). Er is gemeld dat sommige soorten zichtbare symptomen van toxiciteit vertoonden wanneer planten werden behandeld met ureum en NBPT met de voorbijgaande ontwikkeling van bladschurft en necrotische bladmarges (Watson en Miller, 1996; Artola et al., 2011; Cruchaga et al., 2011). Cruchaga et al. (2011) rapporteerde dat de NBPT wordt opgenomen door wortels van erwten en spinazie en wordt verplaatst naar de bladeren; NBPT kan dus de activiteit van endogene blad- en wortelurease remmen (Watson and Miller, 1996; Artola et al., 2011; Cruchaga et al., 2011; Ariz et al., 2012). Bovendien zijn de activiteit van glutaminesynthetase en het aminozuurniveau verminderd in aanwezigheid van NBPT (Artola et al., 2011; Cruchaga et al., 2011). Al met al lieten deze resultaten zien dat de ureaseremmer het gebruik van ureum als bron van N voor planten compromitteerde, maar er is nog steeds een gebrek aan kennis over de fysiologische en moleculaire aspecten van NBPT-effecten op de verwerving van deze N-bron.

Het doel van het huidige onderzoek was om de kortetermijneffecten van NBPT op het vermogen van maïsplanten om ureum te verkrijgen, te bestuderen. Eerdere studies van onze groep beschreven in vivo het transportsysteem met hoge affiniteit van ureum in maïswortels en toonden aan dat ureum snel zijn acquisitie induceert (Zanin et al., 2014). Daarom werd in het huidige werk de werking van NBPT bestudeerd op de functionaliteit van de induceerbare component van het influxsysteem met hoge affiniteit. Fysiologische gegevens werden ondersteund door analyse van veranderingen in de transcriptie van genen waarvan bekend is dat ze door ureum worden gemoduleerd.