用于改良植物性状的方法及组合物技术

提供了用于产生和利用包含至少一种基因工程细菌菌株的细菌组合物的方法和系统，所述细菌菌株在已经用每英亩超过20磅氮施肥的农业系统中固定大气氮。

Methods and compositions for improving plant properties

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于改良植物性状的方法及组合物交叉引用本申请要求2017年1月12日提交的美国临时申请62/445,570、2017年1月12日提交的美国临时申请62/445,557、2017年1月18日提交的美国临时申请62/447,889、2017年3月3日提交的美国临时申请62/467,032、2017年9月29日提交的美国临时申请62/566,199、2017年10月25日提交的美国临时申请62/577,147的权益，这些申请均通过引用并入本文。关于序列表的声明本申请包含序列表，该序列表已经以ASCII格式通过电子方式提交，并且通过引用整体并入本文。所述ASCII副本创建于2018年1月3日，命名为47736-707_601_SL.txt，大小约为599kb。关于联邦资助研究的声明本专利技术是基于国家科学基金会授予的SBIR基金1520545，在美国政府的支持下完成的。政府对所公开的主题享有一定的权利。
技术介绍
植物通过共享的代谢物组与微生物组相联系。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。由于多种原因，如作物优化，可能需要通过改变微生物组对代谢物组的影响来将较差局部极大值优化到另一个代表较佳性状的局部极大值。为了满足日益增长的全球人口的需求，需要经济、环境及社会均可持续的农业和粮食生产方法。联合国粮农组织(heUnitedNations’FoodandAgricultureOrganization)预计，到2050年，粮食总产量必须增加70％才能满足日益增长的人口需求，而这一挑战又因许多因素而加剧，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，以及可能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)是地球大气的主要组成部分。另外，元素氮(N)是构成活生物体的许多化学化合物的重要组成部分。然而，许多生物体不能直接利用N2合成诸如生长和繁殖等生理过程中使用的化学物质。为了利用N2，N2必须与氢组合。氢与N2的组合被称为固氮。无论是以化学方式还是以生物学方式完成，固氮都需要投入大量的能量。在生物系统中，被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这种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，随着日益增长的对增加粮食生产的需求，例如在肥料中提供充足的补充氮源的挑战将继续增加。
技术实现思路
本专利技术的一个方面提供了一种包含至少一种基因工程细菌菌株的细菌组合物，所述细菌菌株在已经用每英亩超过20磅氮施肥的农业系统中固定大气氮。本专利技术的另一方面提供了一种包含至少一种基因工程细菌菌株的细菌组合物，所述细菌菌株已被培育为在已经用每英亩超过20磅氮施肥的农业系统中固定大气氮。本专利技术的另一方面提供了一种包含至少一种固定大气氮的基因工程细菌菌株的细菌组合物，所述至少一种基因工程细菌菌株包含外源添加的DNA，其中所述外源添加的DNA与相应的天然细菌菌株具有至少80％的同一性。本专利技术的另一方面提供了一种种子组合物，其包含接种有细菌组合物的植物种子。本专利技术的另一方面提供了使用多个种子种植作物的方法，所述种子具有接种有细菌组合物的种子组合物。本专利技术的另一方面提供了一种将细菌组合物施加至田间的方法。本专利技术的另一方面提供了一种包含细菌组合物的肥料组合物。本专利技术的另一方面提供了一种维持土壤氮水平的方法。该方法包括在田间土壤中种植以固定大气氮的基因工程细菌接种的作物。该方法还包括收获所述作物，其中在种植与收获之间向所述田间的所述土壤施用生产所述作物所需的氮剂量的不超过90％。本专利技术的另一方面提供了一种向作物植物递送益生菌补充剂的方法。该方法包括用种子包衣、种子处理物或种衣剂(seeddressing)涂覆作物种子。所述种子包衣、种衣剂或种子处理物包含所述益生菌的活体代表。另外，该方法包括在田间土壤中施加所述作物种子。在本专利技术的另一方面，所述基因工程细菌菌株是基因工程革兰氏阳性细菌菌株。在一些情况下，该基因工程革兰氏阳性细菌菌株具有改变的Nif簇调节物的表达水平。在一些情况下，该基因工程革兰氏阳性细菌菌株表达减少量的Nif簇的负调节物。在一些情况下，该基因工程细菌菌株表达减少量的GlnR。在一些情况下，该基因工程细菌菌株的基因组编码与来自ZehrlabNifH数据库的序列具有至少75％同一性的多肽。在一些情况下，该基因工程细菌菌株的基因组编码与来自ZehrlabNifH数据库的序列具有至少85％同一性的多肽。在一些情况下，该基因工程细菌菌株的基因组编码与来自BuckleylabNifH数据库的序列具有至少75％同一性的多肽。在一些情况下，该基因工程细菌菌株的基因组编码与来自BuckleylabNifH数据库的序列具有至少85％同一性的多肽。本专利技术的另一方面提供了一种增加非豆科植物中的固氮的方法。该方法包括向植物施加多种非属间细菌，所述多种非属间细菌包含以下非属间细菌，其(i)具有每克植物根组织鲜重至少约1.0×104个细菌细胞的每单位植物根组织平均定植能力，并且(ii)每小时每个细菌细胞产生至少约1×10-17mmolN的固定N。另外，植物中(inplanta)的所述多种非属间细菌在植物中产生1％或更多的固定氮。此外，所述多种非属间细菌的每个成员包含至少一个引入固氮或氮同化遗传调节网络的至少一个基因或非编码多核苷酸中的遗传变异，使得所述非属间细菌能够在外源氮的存在下固定大气氮。本专利技术的另一方面提供了一种增加非豆科植物中的固氮的方法。该方法包括向植物施加多种非属间细菌，所述多种非属间细菌包含以下非属间细菌，其(i)具有每克植物根组织鲜重至少约1.0×104个细菌细胞的每单位植物根组织平均定植能力，并且/或者(ii)每小时每个细菌细胞产生至少约1×10-17mmolN的固定N。另外，植物中的所述多种非属间细菌在植物中产生1％或更多的固定氮。此外，所述多种非属间细菌的每个成员包含至少一个引入固氮或氮同化遗传调节网络的至少一个基因或非编码多核苷酸中的遗传变异，使得所述非属间细菌能够在外源氮的存在下固定大气氮。本专利技术的另一方面提供了一种培育微生物菌株以改良农艺相关性的特定性状的方法。该方法包括提供具有定植于所需作物的能力的多种微生物菌株。该方法还包括通过基因组内重排来改良影响该性状的调节网络。此外，该方法包括评估所述多种微生物菌株内的微生物菌株，以确定该性状的量度。另外，该方法包括选择所述多种微生物菌株中的一种或多种微生物菌株，其在所需作物的存在下产生性状的改良。本专利技术的另一方面提供了一种培育微生物菌株以改良农艺相关性的特定性状的方法。该方法包括提供具有定植于所需作物的能力的多种微生物菌株。该方法还包括将遗传多样性引入所述多种微生物菌株中。另外，该方法包括评估所述多种微生物菌株本文档来自技高网...

【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：/n向所述植物施加多种非属间细菌，所述多种非属间细菌包含以下非属间细菌，其：/ni.具有每克植物根组织鲜重至少约1.0×10

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170112 US 62/445,570;20170112 US 62/445,557;20171.一种增加非豆科植物中的固氮的方法，其包括：
向所述植物施加多种非属间细菌，所述多种非属间细菌包含以下非属间细菌，其：
i.具有每克植物根组织鲜重至少约1.0×104个细菌细胞的每单位植物根组织平均定植能力；并且
ii.每小时每个细菌细胞产生至少约1×10-17mmolN的固定N，并且
其中植物中的所述多种非属间细菌在所述植物中产生1％或更多的固定氮，并且
其中所述多种非属间细菌的每个成员包含至少一个引入固氮或氮同化遗传调节网络的至少一个基因或非编码多核苷酸中的遗传变异，使得所述非属间细菌能够在外源氮的存在下固定大气氮。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多种非属间细菌包含以下细菌，其：具有每克植物根组织鲜重至少约1.0×104个细菌细胞的每单位植物根组织平均定植能力。


3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多种非属间细菌包含以下细菌，其：每小时每个细菌细胞产生至少约1×10-17mmolN的固定N。


4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多种非属间细菌包含以下细菌，其：具有每克植物根组织鲜重至少约1.0×104个细菌细胞的每单位植物根组织平均定植能力，并且每小时每个细菌细胞产生至少约1×10-17mmolN的固定N。


5.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个遗传变异包含与所述固氮或氮同化遗传调节网络的所述至少一个基因可操作地连接的引入的控制序列。


6.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个遗传变异包含与所述固氮或氮同化遗传调节网络的所述至少一个基因可操作地连接的启动子。


7.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个遗传变异包含与所述固氮或氮同化遗传调节网络的所述至少一个基因可操作地连接的诱导型启动子。


8.根据权利要求1所述的方法，其中所述多种非属间细菌不包含与所述固氮或氮同化遗传调节网络的基因可操作地连接的组成型启动子。


9.根据权利要求1所述的方法，其中所述多种非属间细菌不包含与nif基因簇中的基因可操作地连接的组成型启动子。


10.根据权利要求1所述的方法，其中植物中的所述多种非属间细菌排出含氮的固氮产物。


11.根据权利要求1所述的方法，其中施加于所述植物的所述多种非属间细菌不刺激外源非大气氮的摄取的增加。


12.根据权利要求1所述的方法，其中所述植物在来自田间的土壤中生长，所述田间已经每英亩施用至少约50磅的含氮肥料，并且其中所述含氮肥料包含至少约5重量％的氮。


13.根据权利要求1所述的方法，其中所述植物在来自田间的土壤中生长，所述田间已经每英亩施用至少约50磅的含氮肥料，并且其中所述含氮肥料包含至少约5重量％的氮，并且其中所述含氮肥料包含铵或含铵分子。


14.根据权利要求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。


15.根据权利要求1所述的方法，其中植物中的所述多种非属间细菌在所述植物中产生5％或更多的固定氮。


16.根据权利要求1所述的方法，其中植物中的所述多种非属间细菌在所述植物中产生10％或更多的固定氮。


17.根据权利要求1所述的方法，其中植物中的所述多种非属间细菌在非氮限制条件下固定大气氮。


18.根据权利要求1所述的方法，其中植物中的所述多种非属间细菌排出含氮的固氮产物。


19.根据权利要求1所述的方法，其中由所述多种非属间细菌产生的固定氮通过在植物组织中用大气N2气稀释富集肥料来测量。


20.根据权利要求1所述的方法，其中所述固氮或氮同化遗传调节网络的所述至少一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、nifQ以及与固氮酶的生物合成相关的基因。


21.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个遗传变异是导致以下一种或多种结果的突变：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的腺苷酰基去除活性降低；或GlnD的尿苷酰基去除活性降低。


22.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个遗传变异选自：(A)敲除突变；(B)改变或消除靶基因的调节序列；(C)包含异源调节序列的插入；或(D)结构域缺失。


23.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个遗传变异是突变的nifL基因，其已被改变为包含插入所述nifL基因中的异源启动子。


24.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个遗传变异是突变的glnE基因，其导致缺乏腺苷酰基去除(AR)结构域的截短的GlnE蛋白。

【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，艾米丽·董，凯文·哈米尔，道格拉斯·希金斯，奥斯汀·戴维斯理查德森，
申请(专利权)人：皮沃特生物公司，
类型：发明
国别省市：美国;US