トウモロコシにおける生物学的窒素固定根に関連したジアゾトロフにおける窒素酵素の発現の最適化

Biological Nitrogen Fixation in Maize: Optimizing Nitrogenase Expression in a Root-Associated Diazotroph.

• S E Bloch
• R Clark
• S S Gottlieb
• L K Wood
• N Shah
• S-M Mak
• J G Lorigan
• J Johnson
• A G Davis-Richardson
• L Williams
• M McKellar
• D Soriano
• M Petersen
• A Horton
• O Smith
• L Wu
• E Tung
• R Broglie
• A Tamsir
• K Temme

抄録

植物は、成長促進、病気の抑制、および栄養の利用可能性のために、根と根に関連する微生物との間の有益な相互作用に依存している。これには、窒素を供給するために自由に生きているジアゾ栄養細菌の能力が含まれており、効率的な作物生産システムのための現代農業では長い間過小評価されてきた生態学的な役割を果たしています。マメ科植物と根粒菌の相互作用における長期的な生態学的研究は、上昇した窒素投入が、あまり協力的ではない窒素固定相互作用者の進化につながる可能性があることを示している。ここでは、新規の根関連ジアゾトロフにおける窒素固定と同化の遺伝子制御を再プログラミングする方法を説明します外因性窒素入力の存在下でアンモニウム生産を復元することができます。我々は、トウモロコシの根から植物関連プロテオバクテリウムKosakonia sacchariの株を分離し、その窒素制御ネットワークを特徴付け、トウモロコシの窒素固定を最適化するために遺伝子編集のためのキーノードをターゲットにした。野生型株は、受精した温室や圃場実験のような生物学的に利用可能な窒素が豊富な条件では窒素固定が抑制されるのに対し、改造株は、外因性窒素の存在下でも温室や圃場のトウモロコシの根圏で高いレベルを示した。このような株は、穀物作物に固定窒素を供給するために商業的に利用できる可能性がある。

Plants depend upon beneficial interactions between roots and root-associated microorganisms for growth promotion, disease suppression and nutrient availability. This includes the ability of free-living diazotrophic bacteria to supply nitrogen, an ecological role that has been long under-appreciated in modern agriculture for efficient crop production systems. Long-term ecological studies in legume-rhizobia interactions have shown that elevated nitrogen inputs can lead to the evolution of less cooperative nitrogen-fixing mutualists. Here we describe how reprogramming the genetic regulation of nitrogen fixation and assimilation in a novel root-associated diazotroph can restore ammonium production in the presence of exogenous nitrogen inputs. We isolated a strain of the plant-associated proteobacterium Kosakonia sacchari from corn roots, characterized its nitrogen regulatory network, and targeted key nodes for gene editing to optimize nitrogen fixation in corn. While the wild-type strain exhibits repression of nitrogen fixation in conditions replete with bioavailable nitrogen, such as fertilized greenhouse and field experiments, remodeled strains show elevated levels in the rhizosphere of corn in the greenhouse and field even in the presence of exogenous nitrogen. Such strains could be used in commercial applications to supply fixed nitrogen to cereal crops.

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