[发明专利]改良植物性状的方法及组合物

说明书

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。

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

本发明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。

背景技术

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(he United Nations’Food andAgriculture Organization)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。

发明内容

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(in planta)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。