inhibidor de l’enzim urinari NBPT

La urea com a fertilitzant nitrogen és l’abonament més important de l’agricultura mundial. No obstant això, la urea del sòl es descompon ràpidament per l’enzima ureasa al sòl per descompondre una gran quantitat de pèrdues de nitrogen i reduir l’eficiència d’utilització del nitrogen de la urea. Al mateix temps, a causa de la hidròlisi de la urea, augmenta la concentració d'amoníac en el sòl. Això és tòxic per a la germinació de les llavors i les plantes. L’ús d’un inhibidor de l’enzim urinari per inhibir la hidròlisi de l’urea s'ha proposat com un dels mètodes importants per resoldre els problemes esmentats. Els inhibidors dels enzims urinaris poden augmentar l'eficàcia de la fertilització superficial (urea) reduint la descomposició de l'amoníac per descompondre l'amoníac.

Els inhibidors de l’enzim urinari NBPT tenen les següents característiques: NBPT té una major activitat inhibidora de l’enzim urinari en sòls i condicions climàtiques comunes. NBPT pot reduir el risc de toxicitat per a les llavors, reduir la volatilització d’amoníac i augmentar considerablement el rendiment de les collites i el contingut de proteïnes. NBPT no té efectes perjudicials sobre les persones, els cultius i les persones que consumeixen i consumeixen cultius.

NBPT

Aplicacions: Plantes de química fina.
Condicions de producció: Hi ha d'haver aigua, electricitat, vapor i altres instal·lacions d'obres públiques.

Malgrat l'ús generalitzat dels inhibidors de la ureasa en l'agricultura, hi ha poca informació disponible sobre el seu efecte sobre la captació i l'assimilació de nitrogen (N). L’objectiu d’aquest treball va ser estudiar, a nivell fisiològic i transcripcional, els efectes del triamida de N- (n-butil) tiofosforic (NBPT) sobre la nutrició d’urea en plantes de blat de moro cultivades hidropònicament. La presència de NBPT en la solució nutritiva va limitar la capacitat de les plantes d'utilitzar la urea com a font N; això es va demostrar per una disminució de la taxa de captació d’urea i acumulació de 15N. Cal destacar que aquests efectes negatius només es van evidenciar quan les plantes es van alimentar amb urea, ja que NBPT no va alterar l’acumulació de 15N en plantes alimentades per nitrats. NBPT també va alterar el creixement de les plantes d’Arabidopsis quan s’utilitza la urea com a font N, sense tenir cap efecte sobre les plantes cultivades amb nitrat o amoni. Aquesta resposta va estar relacionada, almenys en part, amb un efecte directe del NBPT en el sistema d’alta afinitat del transport d’urea. Es va avaluar encara més l'impacte de la NBPT en la captació d'urea utilitzant línies de Arabidopsis sobreexpressant ZmDUR3 i dur3-knockout; Els resultats suggereixen que l’inhibidor no només pot comprometre el transport, sinó també l’assimilació d’urea. Aquesta hipòtesi es va veure reforçada per una acumulació excessiva d’urea i una disminució de la concentració d’amoníac en plantes tractades amb NBPT. A més, les anàlisis transcripcionals van mostrar que en arrels de blat de moro NBPT el tractament va alterar greument l'expressió de gens implicats en la via citosòlica d'assimilació ureic-N i de transport d'amoni. NBPT també limita l’expressió d’un gen que codifica un factor de transcripció altament induït per la urea i que potser juga un paper crucial en la regulació de la seva adquisició. Aquest treball proporciona evidència que NBPT pot interferir en gran mesura amb la nutrició d’urea en plantes de blat de moro, limitant l’afluència i la següent via d’assimilació.

Introducció

La urea és el fertilitzant de nitrogen (N) més utilitzat al món, amb una quantitat anual de més de 50 milions de tones, que suposa més del 50% del consum mundial de fertilitzants (International Fertilizer Industry Association, 2008). L'increïble augment de l'ús de fertilitzants en urea durant les últimes dècades es deu principalment al seu preu competitiu i al contingut N alt (46% de la massa), que permeten reduir els costos de transport i distribució (Miller i Cramer, 2004).

Encara que les proves experimentals van informar de la capacitat de les plantes d'utilitzar urea per se quan es subministraven mitjançant l’aplicació de les fulles (Wittwer et al., 1963; Nicolaud i Bloom, 1998; Witte et al., 2002), una pràctica agronòmica comuna és subministrar urea a cultius per fertilització del sòl. A més d’utilitzar fonts de N inorgàniques, les plantes, incloent-hi els cultius, han demostrat ser capaços d’usar urea intacta (per a la seva revisió, vegeu Kraiser et al., 2011; Nacry et al., 2013). En particular, les plantes de blat de moro posseeixen sistemes de transport transmembrana dedicats en cèl·lules arrelades per a l’adquisició d’urea amb afinitat alta i baixa, mediada respectivament per un transportador DUR3 i aquaporines (Gaspar et al., 2003; Gu et al., 2012; Zanin et al., 2012; al., 2014; Liu et al., 2015; Yang et al., 2015).

A la solució del sòl, l’estabilitat de la urea depèn estrictament de l’activitat de la ureasa microbiana, un enzim dependent de níquel expressat de manera ubiqua en microorganismes i alliberat al sòl (Watson et al., 1994). A més, l’activitat de la ureasa pot persistir al sòl fins i tot després de la descomposició dels microorganismes (Watson et al., 1994). Aquest enzim catalitza la hidròlisi de la urea en amoni i diòxid de carboni i la seva activitat és proporcional a la biomassa microbiana, la qual cosa depèn de la quantitat de matèria orgànica i del contingut d'aigua del sòl. L'amoni podria romandre en aquesta forma com a catió intercanviable o volatilitzat en forma d'amoníac; també podria servir de substrat per al procés de nitrificació transformant-se en nitrat. Així, almenys durant curts períodes de temps, la fertilització de la urea pot resultar en una exposició simultània de les arrels de les plantes a la urea, amoni i nitrat (Mérigout et al., 2008b).

Principalment a causa de la volatilització d'amoníac i la lixiviació de nitrats, la ràpida hidròlisi de la urea donaria lloc a una disminució de la disponibilitat de N per a la nutrició de les plantes i a una menor eficiència en l'ús dels fertilitzants de la urea (Zaman et al., 2008). Per tant, una de les estratègies més utilitzades per reduir les emissions de l'amoníac dels fertilitzants de la urea és aplicar inhibidors de la urease A més de reduir la hidròlisi de la urea, aquestes molècules permeten la difusió de la urea lluny del lloc d'aplicació, afavorint la seva captació com a molècula intacta de les arrels de les plantes.

L’inhibidor d’ureasa del sòl més prometedor i provat és el NBPT (nom comercial Agrotain®), l’activitat del qual s’associa amb la conversió a la seva forma oxidada (Watson, 2005). NBPT és un analògic estructural de la urea (Medina i Radel, 1988) que actua amb inhibició mixta en l'activitat de la ureasa (augment de Km i disminució de Vmax; Juan et al., 2009). Els càlculs de dinàmica molecular van mostrar que la NBPT coordina els dos àtoms de níquel del lloc actiu de la ureasa i s'uneix a l'àtom d'oxigen del carbamat derivat de la urea (Manunza et al., 1999).

No és estrany trobar formulacions de comercialització que continguin urea en combinació amb un inhibidor de la ureasa (Watson, 2005). S'han proporcionat proves experimentals que mostren que l’activitat dels inhibidors de la ureasa podria ser afectada per factors ambientals com el pH (Hendrickson i Douglass, 1993), la temperatura (Hendrickson i O'Connor, 1987) i el contingut d'humitat del sòl (Sigunga et al., 2002; Clough et al., 2004).

Hi ha informació limitada disponible sobre els efectes fisiològics de la NBPT a les plantes (Watson i Miller, 1996; Cruchaga et al., 2011). S'ha informat que algunes espècies van mostrar símptomes visibles de toxicitat quan les plantes van ser tractades amb urea i NBPT amb el desenvolupament transitori de les fulles i dels marges necròtics de les fulles (Watson i Miller, 1996; Artola et al., 2011; Cruchaga et al., 2011). Cruchaga et al. (2011) va informar que el NBPT es pren per arrels de pèsols i espinacs i traslladats a les fulles; per tant, la NBPT pot inhibir de manera concreta l'activitat de la urègia de les fulles i de les arrels endògenes (Watson i Miller, 1996; Artola et al., 2011; Cruchaga et al., 2011; Ariz et al., 2012). A més, l’activitat de la glutamina sintetasa i el nivell d’aminoàcids es redueixen en presència de NBPT (Artola et al., 2011; Cruchaga et al., 2011). En conjunt, aquests resultats van mostrar que l’inhibidor de la ureasa va comprometre l’ús de la urea com a font de N per a les plantes, però encara hi ha una manca de coneixement sobre els aspectes fisiològics i moleculars dels efectes de la NBPT en l’adquisició d’aquesta font N.

L’objectiu d’aquesta investigació va ser estudiar els efectes a curt termini de NBPT sobre la capacitat de les plantes de blat de moro per adquirir urea. Estudis previs del nostre grup van descriure in vivo el sistema de transport d’alta afinitat d’una urea en arrels de blat de moro i van mostrar que la urea indueix ràpidament la seva adquisició (Zanin et al., 2014). Per tant, en el present treball es va estudiar l’acció de NBPT sobre la funcionalitat del component induïble del sistema d’afluència d’alta afinitat. Les dades fisiològiques es van recolzar en l’anàlisi dels canvis en la transcripció de gens coneguts per ser modulats per la urea.