合作单位：Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences
参考文献：Jie Li, Shuai Wang, Jiafa Luo, et al. Atmosphere. 2021; 12(9):1223. https://doi.org/10.3390/atmos12091223（IF = 3.22）
本研究首次证实了洋甘菊中2-环戊烯酮和丁香酚在土壤中具有脲酶抑制剂的作用。向设计和开发新的有效的天然抑制剂迈出了重要的一步，这些抑制剂可以与尿素基肥料一起使用，以减少农业生产中的氮损失。
背景：
全球人口迅速增长，粮食安全面临重大挑战。目前，作物产量、可持续性和农业系统的经济可行性是通过氮(N)的施用来维持的。尿素因其含氮量高(46%)、价格低廉、易于管理、水溶性高等特点，已成为重要的氮素来源。然而作物从土壤中利用的氮素水平通常低于施氮量的50%。施用后，土壤微生物利用脲酶迅速将尿素水解为铵(NH4 +)(通常在一到两天内)，导致一些氨(NH3)挥发，此外，土壤硝化过程很容易将NH4 +转化为硝酸盐(NO3−)，这可能通过浸出或反硝化作用损失到水道中。为了保证氮的持续和优化供应，提高氮肥利用效率，保护环境，必须采取降低尿素水解速度的策略。
由于成本高、可用性问题以及对有益土壤微生物的有害影响，合成脲酶抑制剂的使用受到限制，只有少数化合物适合在农业生产中普遍使用。因此，开发新的、安全的、具有成本效益的、在低浓度下有效的脲酶抑制剂非常重要。
基于植物的生化代谢抑制剂，被认为是合成脲酶抑制剂的最佳替代品。因为其对环境和生物的有害影响最小，且这些植物产品比合成脲酶抑制剂更容易获得，更便宜，更环保。据报道，洋甘菊可能抑制脲酶活性，可能是脲酶抑制剂设计的合适原型。因此，本文评估了洋甘菊的两种主要成分(2-环戊烯酮和丁香酚)对两种不同土壤类型脲酶活性和NH3挥发的抑制效率。研究了纯天然化合物的作用机理，并与NBPT的作用效果进行了比较。本研究的目的是评估可生物降解和环境友好的天然化合物在抑制农业土壤脲酶活性和减少NH3挥发方面的潜力。
方案设计：
在25℃条件下进行了70天的好氧培养试验：对照组(无氮肥对照)；尿素(单独施用尿素)；尿素+ NBPT (NBPT)；尿素+ 2-环戊烯酮(UC)；尿素+丁香酚(UE)。测试洋甘菊的两种主要成分(2-环戊烯酮和丁香酚)对两种不同土壤类型脲酶活性和NH3挥发的抑制效率。最后采用分子模拟方法，研究了2-环戊烯酮和丁香酚与脲酶的结合模式。
主要结果：
洋甘菊植物材料能有效降低尿素水解，且对脲酶的抑制作用高于NBPT。与纯尿素处理相比，添加NBPT和两种天然材料可使尿素的半衰期延长2 ~ 3天。
将丁香酚对接到脲酶的活性位点，深入研究了二者的结合模式。分子对接得到的结合能为-4.19 kcal/mol，对接结果如图1所示，从图中可以看出，丁香酚能够结合在脲酶的活性位点，并与周围的氨基酸残基具有较强的亲水性作用。因此，分子对接结果初步表明，丁香酚能够与脲酶结合并具有较强的亲和力。
为了进一步研究参与丁香酚与脲酶结合的氨基酸残基信息，本文对二者的结合模式展开了深入分析。如图2所示，丁香酚能与Arg609和Gly550形成氢键作用，另外，丁香酚结构中的羟基氧原子距离Ni离子的距离仅为2.18 Å，可以与Ni形成金属配位键。从整体来看，丁香酚占据了酶的活性中心，可以进一步影响酶催化底物的结合。
将环戊烯酮对接到脲酶的活性位点，深入研究二者的结合模式。分子对接得到的结合能为-2.18 kcal/mol，对接结果如图3所示，从图中可以看出，环戊烯酮能够结合在脲酶的活性位点，并与周围的氨基酸残基具有较强的亲水性作用。因此，分子对接结果初步表明，环戊烯酮能够与脲酶结合并具有较强的亲和力。
为进一步研究参与环戊烯酮与脲酶结合的氨基酸残基信息，对二者的结合模式展开了深入分析。如图4所示，环戊烯酮结构中的羰基氧原子与两个Ni离子的距离分别为2.11 Å和2.14 Å，可以与Ni形成较强的金属配位键，另外，环戊烯酮还可以与Ala440和Ala636形成疏水相互作用。从整体来看，环戊烯酮占据了酶的活性中心，可以进一步影响酶催化底物的结合。
