PBJ | 水稻中黄酮类基因的改造促进了土壤中固定细菌生物膜的形成和提高生物氮利用

氮是植物生长发育的必需元素。植物不能直接从大气中吸收丰富的氮气，它们依靠从土壤中吸收无机形式的氮，例如铵和硝酸盐。现代农业严重依赖于化肥的施用，而在农业中将近一半的氮肥没有完全被植物所吸收而挥发而流失。例如挥发带大气中导致全球变暖，渗透到地下水系统导致水体富营养化。因此越来越需要开发出可持续性的替代方案，以减少无机氮肥的使用。植物的根系与富含微生物的土壤之间的相互作用对植物的适应性是至关重要的。在土壤中植物根系与细菌之间通过形成生物膜实现相互作用，这种生物膜是由细菌产生并且分泌到细胞外的一种含有多糖、蛋白质和脂质的聚合物质。在某些情况下生物膜的形成对细菌能否在根部定植至关重要。

在谷类作物中提高生物固氮（BNF）含量是一个长期改良的目标，然而在谷类作物中尚未实现BNF的增加。2022年7月23日，来自美国加州大学戴维斯分校植物科学系的Eduardo Blumwald 团队在Plant Biotechnology Journal 上发表了题为“Genetic modification of flavone biosynthesis in rice enhances biofilm formation of soil diazotrophic bacteria and biological nitrogen fixation”的研究论文。在本文中研究人员开发了一种新的方法，通过改良水稻实现某些化合物的增加，这些化合物的形成可以刺激土壤中固氮细菌生物膜的形成，进而促进细菌在植物组织中定植；从而在有限的土壤含氮量情况下，通过改善BNF实现谷物产量的增加。研究人员首先使用化学筛选的方法用于鉴定来自于植物中并且可诱导固氮细菌形成生物膜的化合物，结果表明芹菜素和其他黄酮类物质可以诱导生物固氮。然后使用CRISPR基因编辑技术靶向水稻中的芹菜素分解基因，以达到增加植物芹菜素含量和芹菜素根系分泌物的目的。生物膜的产生改变了根系微生物组的结构，有利于固氮细菌的富集。研究结果表明通过操纵黄酮生物合成途径能够达到提高生物固氮减少无机氮肥使用的策略。

筛选促进细菌生物膜形成的化合物

固氮细菌Gluconacetobacter diazotrophicus被用于高通量的筛选能够诱导生物膜形成的化合物。在筛选了740种化合物后，确定了诱导了生物膜形成的正负调节剂（1a）。对这些化合物进行层次聚类，表明它们大多数至少有一个苯环且类黄酮含量过高。通过与对照组相比，发现在固氮细菌中芹菜素处理后表现出更高的固氮活性。

通过CRISPR生成富含芹菜素的水稻品系

鉴于上一步鉴定到的影响生物膜合成的化合物，研究人员从木犀草素向金黄菊醇的转化途径中筛选基因用于敲除，刺激固氮细菌中生物膜的产生。然而在水稻中拥有大量编码 O-甲基转移酶的基因家族，再敲除表达量最高的ROMT9 基因后仅略微的增加了木犀草素含量。而在水稻中仅仅只有两个基因编码黄酮类化合物，介导芹菜素向木犀草素的转化。研究人员针对这两个基因CYP75B3和CYP75B4 设计了CRISPR靶标。qPCR结果表明在敲除后两个基因都显现出低表达(3c)。

与对照植株相比转基因植株在根的提取物和根系分泌物种显现出更高的芹菜素含量（3d,3e）,同时诱导了更多的生物膜形成（4a）。在体内结果也表明敲除植株中诱导了更高的gumDpro::GFP 表达（4C）。为了评估生物固氮是否有助于水稻中氮的吸收，对照组种在75 ppm N，敲除植株种植在22.5 ppm N环境，两组材料的农艺性状没有显著差异。在成熟后，所有crispr植株都表现出穗数增加，种子产量增加20-35%（图5）。

  在本文开发了一种新的方法，通过改良水稻实现某些化合物的增加，刺激土壤中固氮细菌生物膜的形成，进而促进细菌在植物组织中定植，实现在有限土壤含氮量情况下谷物产量的增加。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13894

转自：植物生物技术Pbj

如有侵权，请联系本站删除！