尿中酵素阻害剤NBPT

窒素肥料としての尿素は、世界の農業において最も重要な肥料です。しかしながら、土壌中の尿素は、土壌中のウレアーゼ酵素によって急速に分解され、大量の窒素損失を分解し、尿素窒素の利用効率を低下させる。同時に、尿素の加水分解により、土壌中のアンモニア濃度が上昇します。これは種子の発芽や植物に有毒です。尿素の加水分解を阻害するための尿中酵素阻害剤の使用は、上記の問題を解決するための重要な方法の一つとして提案されている。尿中酵素阻害剤は、アンモニアを分解してアンモニアを分解することによって表面施肥(尿素)の効果を高めることができます。

NBPT尿中酵素阻害剤は以下の特徴を有する:NBPTは一般的な土壌および気候条件においてより高い尿中酵素阻害活性を有する。 NBPTは種子毒性のリスクを減らし、アンモニアの揮発を減らし、作物の収量とタンパク質含有量をかなりの程度まで増やすことができます。 NBPTは人、作物、そして作物を消費したり消費したりする人々に悪影響を与えることはありません。

NBPT

アプリケーション:ファインケミカルプラント。
製造条件:水、電気、蒸気、その他の公共施設がなければならない。

農業においてウレアーゼ阻害剤が広く使用されているにもかかわらず、窒素(N)吸収および同化に対するそれらの影響について利用可能な情報はほとんどない。この研究の目的は、水耕栽培のトウモロコシ植物の尿素栄養に対するN-(n-ブチル)チオリン酸トリアミド(NBPT)の影響を生理学的および転写レベルで研究することであった。栄養溶液中にNBPTが存在すると、植物が尿素をN源として利用する能力が制限された。これは、尿素取り込み速度および15 N蓄積の減少によって示された。注目すべきことに、これらの悪影響は、植物に尿素を与えた場合にのみ明らかであった。なぜなら、NBPTは硝酸塩を与えた植物の15 N蓄積を変えなかったからである。尿素をN源として使用した場合、NBPTはシロイヌナズナ植物の生長も損ないましたが、硝酸塩やアンモニウムで生育した植物には影響を与えませんでした。この反応は、少なくとも部分的には、高親和性尿素輸送系に対するNBPTの直接的効果に関連していた。尿素取り込みに対するNBPTの影響を、ZmDUR3およびdur3ノックアウトを過剰発現するシロイヌナズナの系統を用いてさらに評価した。結果は、輸送だけでなく尿素同化も阻害剤によって損なわれる可能性があることを示唆している。この仮説は、NBPT処理植物における尿素の過剰蓄積およびアンモニウム濃度の減少によって補強された。さらに、転写解析は、トウモロコシの根でそれを示した NBPT 治療は、尿酸-N同化およびアンモニウム輸送の細胞質ゾル経路に関与する遺伝子の発現を著しく損なった。 NBPTはまた、尿素によって高度に誘導され、そしておそらくその獲得の調節において決定的な役割を果たす転写因子をコードする遺伝子の発現を制限した。この研究は、NBPTがトウモロコシ植物の尿素栄養に大きく干渉し、流入を制限し、さらに次の同化経路を妨げる可能性があるという証拠を提供しています。

前書き

尿素は、世界で最も頻繁に使用されている窒素(N)肥料であり、年間5000万トンを超える量が世界のN肥料消費量の50%以上を占めています(International Fertilizer Industry Association、2008)。過去数十年の間の尿素肥料使用の驚くべき増加は、主にその競争力のある価格と高いN含有量(質量の46%)によるもので、輸送と流通のコストを削減することができます(Miller and Cramer、2004)。

実験的証拠は、葉の施用を通して供給されたときにそれ自体尿素を使用する植物の能力を報告したが(Wittwerら、1963; Nicolaud and Bloom、1998; Witteら、2002)、一般的な農学的実務は土壌施肥による作物無機窒素源を使用することに加えて、作物を含む植物は、無傷の尿素を取り込むことができることが示されている(概説については、Kraiser et al。、2011; Nacry et al。、2013を参照)。特に、トウモロコシ植物は、それぞれDUR3トランスポーターおよびアクアポリンによって媒介される、高親和性および低親和性の尿素の獲得のために、根細胞中に専用の膜貫通輸送システムを有する(Gasparら、2003年; Guら、2012年; Zaninら、2012年)。ら、2014年; Liuら、2015年; Yangら、2015年)。

土壌溶液中では、尿素の安定性は微生物のいたるところで発現され土壌中に放出されるニッケル依存性酵素である微生物ウレアーゼの活性に厳密に依存している(Watson et al。、1994)。さらに、微生物の崩壊後もウレアーゼ活性は土壌中で持続する可能性がある(Watson et al。、1994)。この酵素は尿素のアンモニウムと二酸化炭素への加水分解を触媒し、その活性は微生物のバイオマスに比例し、微生物のバイオマスは有機物の量と土壌の含水量に依存します。アンモニウムは、交換可能な陽イオンとしてこの形態のままであり得るか、またはアンモニアの形態で揮発し得る。それはまた、硝化プロセスが硝酸塩に変換されるための基質としても役立ち得る。したがって、少なくとも短期間の間、尿素施肥は、植物根を尿素、アンモニウムおよび硝酸塩に同時に曝露する可能性がある(Mérigoutet al。、2008b)。

主にアンモニア揮散および硝酸塩浸出のために、尿素の急速な加水分解は植物栄養のための窒素利用可能性の低下および尿素肥料のより低い使用効率をもたらすであろう(Zaman et al。、2008)。そのため、尿素肥料からのアンモニア排出を減らすために最もよく使われている戦略の1つは、ウレアーゼ阻害剤を適用することです。尿素加水分解を遅くすることに加えて、これらの分子は施用部位から遠く離れた尿素の拡散を可能にし、植物の根による無傷の分子としてのその取り込みを促進する。

最も有望で試験済みの土壌ウレアーゼ阻害剤はNBPT(商品名Agrotain®)であり、その活性はその酸化型への変換に関連しています(Watson、2005)。 NBPTは、ウレアーゼ活性に対する混合阻害(Kmの増加およびVmaxの減少; Juanら、2009年)を伴って作用する尿素の構造類似体(MedinaおよびRadel、1988年)である。分子動力学計算は、NBPTがウレアーゼ活性部位のニッケル原子と尿素由来カルバメートの酸素原子の両方を配位することを示した(Manunza et al。、1999)。

ウレアーゼ阻害剤と組み合わせて尿素を含有する市販の製剤を見出すことは珍しいことではない(Watson、2005)。ウレアーゼ阻害剤の活性がpH(Hendrickson and Douglass、1993)、温度(Hendrickson and O'Connor、1987)、土壌水分量などの環境要因の影響を受ける可能性があることを示す実験的証拠が提供されている(Sigunga et al。、 2002; Clough et al。、2004)。

植物におけるNBPTの生理学的作用に関する情報は限られている(Watson and Miller、1996; Cruchaga et al。、2011)。植物を尿素およびNBPTで処理して葉の焦げおよび壊死性の葉の縁の一過性の発達をさせたときに毒性の目に見える症状を示すことが報告されている(Watson and Miller、1996; Artola et al。、2011; Cruchaga et al。 2011)。 Cruchaga等。 (2011)NBPTがエンドウとホウレンソウの根によって取り込まれて、葉に転位されることを報告しました。したがって、NBPTは内因性の葉および根のウレアーゼの活性をおそらく抑制することができる(Watson and Miller、1996; Artola et al。、2011; Cruchaga et al。、2011; Ariz et al。、2012)。さらに、グルタミンシンテターゼ活性およびアミノ酸レベルは、NBPTの存在下では低下する(Artolaら、2011; Cruchagaら、2011)。これらの結果を総合すると、ウレアーゼ阻害剤は植物のためのN源としての尿素の使用を危うくしたが、このN源の獲得に対するNBPT効果の生理学的および分子的側面についての知識はまだ不足している。

現在の研究の目的は、尿素を獲得するためのトウモロコシ植物の能力に対するNBPTの短期的な影響を研究することでした。我々のグループによる以前の研究は、in vivoでトウモロコシの根における尿素の高親和性輸送システムを説明し、そして尿素が急速にその獲得を誘導することを示した(Zanin et al。、2014)。したがって、本研究では、高親和性流入系の誘導性成分の機能性についてNBPTの作用を調べた。生理学的データは、尿素によって調節されることが知られている遺伝子の転写における変化の分析によって支持された。