改良植物性状的方法及组合物技术

本文公开了增加非豆科植物中固氮的方法。所述方法可包括将所述植物暴露于多种细菌。多种细菌的每一个成员均包含引入到细菌固氮或同化遗传调节网络的一个或多个基因或非编码多核苷酸中的一种或多种遗传变异，使得所述细菌能够在外源氮的存在下固定大气氮。所述细胞并非属间微生物。此外，植物中的所述细菌在该植物中产生1％或更多的固定氮。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改良植物性状的方法及组合物交叉引用本申请要求2015年7月13日提交的美国临时专利申请号62/192,009和2015年9月2日提交的美国临时专利申请号62/213,567的权益，两份申请各自均通过引用全部并入于此。关于联邦资助研究的声明本专利技术是以国家科学基金会授予的SBIR基金1520545的名义在美国政府支持下完成的。政府对所公开的主题享有一定的权利。
技术介绍
植物是通过共享的代谢物组与微生物组联系起来的。特定作物性状与潜在代谢物组之间的多维关系的特征在于具有许多局部极大值的景象。通过改变微生物组对代谢物组的影响来将较差局部最大值优化到另一个代表较佳性状的局部极大值可能由于各种原因(诸如，作物优化)是可取的。需要农业和粮食生产的经济、环境及社会均可持续的方法来满足日益增长的全球人口的需求。到2050年，联合国粮农组织(heUnitedNations’FoodandAgricultureOrganization)预计粮食总产量必须增加70％才能满足日益增长的人口需求，而这种挑战又因许多因素而加剧，其包括淡水资源减少、对耕地的竞争加剧、能源价格上涨，投入成本增加，以及需要作物能够适应更干燥、更炎热以及更极端的全球气候的压力。一个值得关注的领域是固氮的改善。氮气(N2)是地球大气的主要部分。此外，元素氮(N)是构成生物体的许多化合物的重要组成部分。然而，许多生物体不能利用N2直接合成生理过程(如生长和繁殖)中使用的化学物质。为了利用N2，N2必须与氢结合。氢与N2的结合被称为固氮。无论是化学固氮还是生物固氮，固氮都需要耗费大量的能源。在生物系统中，称为固氮酶的酶催化导致固氮的反应。固氮研究的一个重要目标是将表型扩展到非豆科植物，特别是诸如小麦、稻和玉米等重要的农业禾本科植物。尽管在了解根瘤菌与豆科植物之间的固氮共生关系的发展方面取得了巨大进展，但是利用这一知识在非豆科作物上诱导固氮结节的途径尚不清楚。同时，随着日益增长的粮食生产需求，提供充足的补充氮源(如肥料)的挑战将继续增加。
技术实现思路
鉴于上述情况，需要改良相关微生物组赋予的植物性状。本公开解决了这个需要，并且还提供了额外的益处。在一些情况下，组成微生物组的物种及其基础遗传学二者是调节微生物对代谢物组的影响的目标。一方面，本公开提供了一种增加非豆科植物中固氮的方法，所述方法包括将所述植物暴露于多种细菌，该多种细菌中的每一个成员均包含引入到细菌固氮或同化遗传调节网络的一个或多个基因或非编码多核苷酸的一种或多种遗传变异，使得所述细菌能够在外源氮的存在下固定大气氮；其中所述细菌并非属间微生物；并且其中植物中(inplanta)的细菌在植物中产生1％或更多的固定氮。在一些实施方案中，植物中的所述细菌在植物中产生5％或更多的固定氮。在一些实施方案中，植物中的所述细菌在植物中产生10％或更多的固定氮。在一些实施方案中，所述一种或多种遗传变异包含可操作地连接至固氮或同化遗传调节网络的所述一个或多个基因的经引入的控制序列。在进一步的实施方案中，该控制序列是启动子。在进一步的实施方案中，该启动子是诱导型启动子。在一些实施方案中，所述细菌不包含可操作地连接至固氮或同化遗传调节网络的基因的组成型启动子。在一些实施方案中，该细菌不包含可操作地连接至nif基因簇中的基因的组成型启动子。在一些实施方案中，植物中的所述细菌排出固氮的含氮产物。在一些实施方案中，暴露于植物的所述多种细菌不刺激外源非大气氮摄取的增加。在一些实施方案中，所述植物在每英亩施用约50lbs含氮肥料的田间土壤中生长，并且其中所述含氮肥料包含按重量计至少5％的氮。在进一步的实施方案中，该含氮肥料包含铵或含铵分子。在一些实施方案中，外源氮选自包含谷氨酰胺、氨、铵、尿素、硝酸盐、亚硝酸盐、含铵分子、含硝酸盐分子和含亚硝酸盐分子中的一种或多种的肥料。在一些实施方案中，所述多种细菌包括至少两种不同种类的细菌。在一些实施方案中，该多种细菌包括相同种类细菌的至少两种不同的菌株。在一些实施方案中，该多种细菌为肠杆菌属。在一些实施方案中，该多种细菌是内生植物的、附生植物的或根际的。在一些实施方案中，该多种细菌在植物中定植(colonize)，使得细菌以每克植物鲜重至少105cfu存在于植物中。在一些实施方案中，细菌固氮或同化遗传调节网络的所述一个或多个基因或非编码多核苷酸选自：nifA、nifL、ntrB、ntrC、编码谷氨酰胺合成酶的多核苷酸、glnA、glnB、glnK、drat、amtB、编码谷氨酰胺酶的多核苷酸、glnD、glnE、nifJ、nifH、nifD、nifK、nifY、nifE、nifN、nifU、nifS、nifV、nifW、nifZ、nifM、nifF、nifB和nifQ。在一些实施方案中，所述一种或多种遗传变异是导致以下一项或多项结果的突变：NifA或谷氨酰胺酶的表达或活性增加；NifL、NtrB、谷氨酰胺合成酶、GlnB、GlnK、DraT、AmtB的表达或活性降低；GlnE的腺苷酰去除活性降低；或GlnD的尿苷酰去除活性降低。在一些实施方案中，该一种或多种遗传变异(A)是敲除突变；(B)改变或消除靶基因的调节序列；或(C)包含异源调节序列的插入。在一些实施方案中，所述植物是农作物植物。在进一步的实施方案中，该农作物植物选自高粱、油菜、番茄、草莓、大麦、稻、玉米和小麦。在进一步的实施方案中，该植物是遗传修饰的生物体。在进一步的实施方案中，该植物并非遗传修饰的生物体。在一些实施方案中，该植物已经进行了遗传工程或繁殖用于有效的氮利用。一方面，本公开提供了一个包含细菌的细菌种群，该细菌含有引入到细菌固氮或同化基因调节网络的一个或多个基因或非编码多核苷酸的一种或多种遗传变异，使得所述细菌能够在外源氮的存在下固定大气氮；其中所述细菌并非属间微生物；并且其中植物中的细菌在存在细菌种群的情况下在植物中产生1％或更多的固定氮。在一些实施方案中，植物中的所述细菌在植物中产生5％或更多的固定氮。在一些实施方案中，植物中的所述细菌在植物中产生10％或更多的固定氮。在一些实施方案中，所述一种或多种遗传变异包含可操作地连接至固氮或同化遗传调节网络的所述一个或多个基因的经引入控制序列。在进一步的实施方案中，该控制序列是启动子。在进一步的实施方案中，该启动子是诱导型启动子。在一些实施方案中，所述细菌不包含可操作地连接至固氮或同化遗传调节网络的基因的组成型启动子。在一些实施方案中，该细菌不包含可操作地连接至nif基因簇中的基因的组成型启动子。在一些实施方案中，植物中的所述细菌排出固氮的含氮产物。在一些实施方案中，暴露于植物的所述多种细菌不刺激外源非大气氮摄取的增加。在一些实施方案中，外源氮选自包含谷氨酰胺、氨、铵、尿素、硝酸盐、亚硝酸盐、含铵分子、含硝酸盐分子和含亚硝酸盐分子中的一种或多种的肥料。在一些实施方案中，所述细菌种群包含至少两种不同种类的细菌。在一些实施方案中，该细菌种群包含相同种类细菌的至少两种不同的菌株。在一些实施方案中，所述多种细菌为肠杆菌属。在一些实施方案中，该多种细菌是内生植物的、附生植物的或根际的。在一些实施方案中，该多种细菌在植物中定植，使得细菌以每克植物鲜重至少105cfu存在于该植物中。在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增加非豆科植物中的固氮的方法，其包括：将所述植物暴露于多种细菌，所述多种细菌的每一个成员均包含引入到细菌固氮或同化遗传调节网络的一个或多个基因或非编码多核苷酸的一种或多种遗传变异，使得所述细菌能够在外源氮的存在下固定大气氮；其中所述细菌并非属间微生物；并且其中植物中的所述细菌在所述植物中产生1％或更多的固定氮。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.13 US 62/192,009;2015.09.02 US 62/213,5671.一种增加非豆科植物中的固氮的方法，其包括：将所述植物暴露于多种细菌，所述多种细菌的每一个成员均包含引入到细菌固氮或同化遗传调节网络的一个或多个基因或非编码多核苷酸的一种或多种遗传变异，使得所述细菌能够在外源氮的存在下固定大气氮；其中所述细菌并非属间微生物；并且其中植物中的所述细菌在所述植物中产生1％或更多的固定氮。2.如权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种遗传变异包含可操作地连接至所述固氮或同化遗传调节网络的所述一个或多个基因的经引入的控制序列。3.如权利要求2所述的方法，其中所述控制序列为启动子。4.如权利要求3所述的方法，其中所述启动子为诱导型启动子。5.如权利要求1所述的方法，其中所述细菌不包含可操作地连接至固氮或同化遗传调节网络的基因的组成型启动子。6.如权利要求1所述的方法，其中所述细菌不包含可操作地连接至nif基因簇中的基因的组成型启动子。7.如权利要求1所述的方法，其中植物中的所述细菌排出固氮的含氮产物。8.如权利要求1所述的方法，其中暴露于所述植物的所述多种细菌未刺激外源非大气氮的摄取的增加。9.如权利要求1所述的方法，其中所述植物在每英亩施用至少50lbs含氮肥料的田间土壤中生长，并且其中所述含氮肥料包含按重量计至少5％的氮。10.如权利要求9所述的方法，其中所述含氮肥料包含铵或含铵分子。11.如权利要求1所述的方法，其中所述多种细菌包括至少两种不同种类的细菌。12.如权利要求1所述的方法，其中所述多种细菌包括相同种类细菌的至少两种不同的菌株。13.如权利要求1所述的方法，其中所述外源氮选自包含谷氨酰胺、氨、铵、尿素、硝酸盐、亚硝酸盐、含铵分子、含硝酸盐分子和含亚硝酸盐分子中的一种或多种的肥料。14.如权利要求1所述的方法，其中植物中的所述细菌在所述植物中产生5％或更多的固定氮。15.如权利要求1所述的方法，其中植物中的所述细菌在所述植物中产生10％或更多的固定氮。16.如权利要求1所述的方法，其中所述细菌固氮或同化遗传调节网络的所述一个或多个基因或非编码多核苷酸选自：nifA、nifL、ntrB、ntrC、编码谷氨酰胺合成酶的多核苷酸、glnA、glnB、glnK、drat、amtB、编码谷氨酰胺酶的多核苷酸、glnD、glnE、nifJ、nifH、nifD、nifK、nifY、nifE、nifN、nifU、nifS、nifV、nifW、nifZ、nifM、nifF、nifB和nifQ。17.如权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种遗传变异是导致以下一项或多项结果的突变：NifA或谷氨酰胺酶的表达或活性增加；NifL、NtrB、谷氨酰胺合成酶、GlnB、GlnK、DraT、AmtB的表达或活性降低；GlnE的腺苷酰去除活性降低；或GlnD的尿苷酰去除活性降低。18.如权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种遗传变异(A)是敲除突变；(B)改变或消除靶基因的调节序列；或(C)包含异源调节序列的插入。19.如权利要求1所述的方法，其中所述多种细菌来自包含肠杆菌属、拉恩氏菌属、Kosakonia、伯克霍尔德氏菌属或克雷伯氏菌属的属。20.如权利要求1所述的方法，其中所述多种细菌是内生植物的、附生植物的或根际的。21.如权利要求1所述的方法，其中所述多种细菌在至少所述植物根中定植，使得所述细菌以每克组织鲜重至少约105cfu的量存在于所述植物中。22.如权利要求1所述的方法，其中所述植物是农作物植物。23.如权利要求22所述的方法，其中所述农作物植物选自高粱、油菜、番茄、草莓、大麦、稻、玉米和小麦。24.如权利要求22所述的方法，其中所述植物是遗传修饰的生物体。25.如权利要求22所述的方法，其中所述植物并非遗传修饰的生物体。26.如权利要求22所述的方法，其中所述植物已经进行了遗传工程或繁殖用于有效的氮利用。27.一种包含细菌的细菌种群，所述细菌包含引入到所述细菌固氮或同化遗传调节网络的一个或多个基因或非编码多核苷酸的一种或多种遗传变异，使得所述细菌能够在外源氮的存在下固定大气氮；其中所述细菌并非属间微生物；并且其中植物中的所述细菌在存在细菌种群的情况下在所述植物中产生1％或更多的固定氮。28.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述一种或多种遗传变异包含可操作地连接至所述固氮或同化遗传调节网络的所述一个或多个基因的经引入的控制序列。29.如权利要求28所述的细菌种群，其中所述控制序列为启动子。30.如权利要求29所述的细菌种群，其中所述启动子为诱导型启动子。31.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述细菌不包含可操作地连接至所述固氮或同化遗传调节网络的基因的组成型启动子。32.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述细菌不包含可操作地连接至nif基因簇中的基因的组成型启动子。33.如权利要求27所述的细菌种群，其中植物中的所述细菌排出固氮的含氮产物。34.如权利要求27所述的细菌种群，其中暴露于所述植物的所述细菌未刺激外源非大气氮摄取的增加。35.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述细菌种群包含至少两种不同种类的细菌。36.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述细菌种群包含相同种类细菌的至少两种不同的菌株。37.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述外源氮选自包含谷氨酰胺、氨、铵、尿素、硝酸盐、亚硝酸盐、含铵分子、含硝酸盐分子和含亚硝酸盐分子中的一种或多种的肥料。38.如权利要求27所述的细菌种群，其中植物中的所述细菌在所述植物中产生5％或更多的固定氮。39.如权利要求27所述的细菌种群，其中植物中的所述细菌在所述植物中产生10％或更多的固定氮。40.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述细菌固氮或同化遗传调节网络的所述一个或多个基因或非编码多核苷酸选自：nifA、nifL、ntrB、ntrC、编码谷氨酰胺合成酶的多核苷酸、glnA、glnB、glnK、drat、amtB、编码谷氨酰胺酶的多核苷酸、glnD、glnE、nifJ、nifH、nifD、nifK、nifY、nifE、nifN、nifU、nifS、nifV、nifW、nifZ、nifM、nifF、nifB和nifQ。41.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述一种或多种遗传变异是导致以下一项或多项结果的突变：NifA或谷氨酰胺酶的表达或活性增加；NifL、NtrB、谷氨酰胺合成酶、GlnB、GlnK、DraT、AmtB的表达或活性降低；GlnE的腺苷酰去除活性降低；或GlnD的尿苷酰去除活性降低。42.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述一种或多种遗传变异(A)是敲除突变；(B)改变或消除靶基因的调节序列；或(C)包含异源调节序列的插入。43.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述多种细菌来自包含肠杆菌属、拉恩氏菌属、Kosakonia、伯克霍尔德氏菌属或克雷伯氏菌属的属。44.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述多种细菌是内生植物的、附生植物的或根际的。45.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述植物是农作物植物。46.如权利要求45所述的细菌种群，其中所述农作物植物选自高粱、油菜、番茄、草莓、大麦、稻、玉米和小麦。47.如权利要求45所述的细菌种群，其中所述植物是遗传修饰的生物体。48.如权利要求45所述的细菌种群，其中所述植物并非遗传修饰的生物体。49.如权利要求45所述的细菌种群，其中所述植物已经进行了遗传工程或繁殖用于有效的氮利用。50.如权利要求27所述的细菌种群，其中所述多种细菌在所述植物中定植，使得所述细菌以每克植物鲜重至少约105cfu的量存在于所述植物中。51.一种包含如权利要求27-50中任一项所述的细菌种群的组合物。52.如权利要求51所述的组合物，其中所述组合物包含涂覆在种子表面上的细菌种群。53.如权利要求51所述的组合物，其中所述组合物被配制为液体或粉末。54.以ATCC保藏号PTA-122293或PTA-122294保藏的分离的细菌。55.一种非属间细菌，其包含引入到细菌固氮或同化遗传调节网络的一个或多个基因或非编码多核苷酸中的一种或多种遗传变异，使得所述细菌能够在外源氮的存在下固定大气氮。56.如权利要求55所述的细菌，其中所述一种或多种遗传变异包含可操作地连接至固氮或同化遗传调节网络的所述一个或多个基因的经引入的控制序列。57.如权利要求56所述的细菌，其中所述控制序列为启动子。58.如权利要求57所述的细菌，其中所述启动子为诱导型启动子。59.如权利要求55所述的细菌，其中所述细菌不包含可操作地连接至所述固氮或同化遗传调节网络的基因的组成型启动子。60.如权利要求55所述的细菌，其中所述细菌不包含可操作地连接至nif基因簇中的基因的组成型启动子。61.如权利要求55所述的细菌，其中所述细菌固氮或同化遗传调节网络的所述一个或多个基因或非编码多核苷酸选自：nifA、nifL、ntrB、ntrC、编码谷氨酰胺合成酶的多核苷酸、glnA、glnB、glnK、drat、amtB、编码谷氨酰胺酶的多核苷酸、glnD、glnE、nifJ、nifH、nifD、nifK、nifY、nifE、nifN、nifU、nifS、nifV、nifW、nifZ、nifM、nifF、nifB和nifQ。62.如权利要求55所述的细菌，其中所述一种或多种遗传变异是导致以下一项或多项结果的突变：NifA或谷氨酰胺酶的表达或活性增加；NifL、NtrB、谷氨酰胺合成酶、GlnB、GlnK、DraT、AmtB的表达或活性降低；GlnE的腺苷酰去除活性降低；或GlnD的尿苷酰去除活性降低。63.如权利要求55所述的细菌，其中所述一种或多种遗传变异(A)是敲除突变；(B)改变或消除靶基因的调节序列；或(C)包含异源调节序列的插入。64.如权利要求55所述的细菌，其中所述细菌来自包含肠杆菌属、拉氏菌属、Kosakonia、伯克霍尔德氏菌属或克雷伯氏菌属的属。65.如权利要求55所述的细菌，其中所述细菌是内生植物的、附生植物的或根际的。66.产生一种或多种细菌的方法，其包括：(a)从第一植物的组织或土壤中分离细菌；(b)将遗传变异引入到一种或多种细菌中，以产生一种或多种变异细菌；(c)将多种植物暴露于所...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡斯滕·泰米，阿尔文·塔姆希尔，莎拉·布洛赫，罗斯玛丽·克拉克，董蔼莉，
申请(专利权)人：皮沃特生物公司，
类型：发明
国别省市：美国,US