設(shè)計(jì)新的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)以生產(chǎn)需要較少肥料的作物

牛津大學(xué)和劍橋大學(xué)之間的跨學(xué)科研究合作設(shè)計(jì)了一種新的合成植物 - 微生物信號(hào)通路，可為將固氮轉(zhuǎn)移到谷物提供基礎(chǔ)。

今天發(fā)表在Nature Communications上的植物科學(xué)家，微生物學(xué)家和化學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)并在植物和根莖周圍的細(xì)菌之間進(jìn)行分子對話，在一個(gè)叫做根際的區(qū)域。這種合成信號(hào)系統(tǒng)可能是在小麥和玉米等非豆類作物中成功設(shè)計(jì)固氮共生的重要一步。

增加根系微生物群具有巨大的潛力，可以提高營養(yǎng)貧瘠土壤的作物產(chǎn)量，減少化肥的使用。

來自牛津大學(xué)植物科學(xué)系的聯(lián)合主要作者Barney Geddes博士說：“植物通過發(fā)出吸引或抑制特定微生物的化學(xué)信號(hào)來影響其根際微生物群。工程谷物植物產(chǎn)生信號(hào)與通信和控制它們根部的細(xì)菌可能使它們能夠利用這些細(xì)菌的促生長作用，包括固氮。

“為此，我們選擇了一組通常由豆科結(jié)核中的細(xì)菌產(chǎn)生的化合物，稱為根霉。首先我們必須發(fā)現(xiàn)根瘤菌生產(chǎn)的天然生物合成途徑，然后設(shè)計(jì)一種更容易轉(zhuǎn)移到植物的合成途徑。能夠?qū)⒑铣尚盘?hào)傳導(dǎo)途徑轉(zhuǎn)移到許多植物，包括谷物，并設(shè)計(jì)根際細(xì)菌對根霉的反應(yīng)。“

牛津大學(xué)聯(lián)合主要作者Amelie Joffrin博士開發(fā)了一種新的立體選擇性合成關(guān)鍵的根霉素。她說：“合成化學(xué)對提供能夠研究根霉生物合成及其從細(xì)菌到植物的轉(zhuǎn)移的化合物至關(guān)重要。特別是，產(chǎn)生的根霉素使我們能夠確認(rèn)哪種是天然活性對映體(”手“)。關(guān)鍵的生物活性化合物。“

劍橋Sainsbury實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合主要作者Ponraj Paramasivan博士解釋了該團(tuán)隊(duì)如何將根莖合成基因轉(zhuǎn)移到大麥中，以評(píng)估他們是否可以在谷物中設(shè)計(jì)根霉素合成。

她說：“我們確認(rèn)大麥合成，然后將根霉素滲透到根際。然后我們測量了大麥根和根際細(xì)菌之間的信號(hào)傳導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)細(xì)菌菌落中發(fā)生了顯著的交流。這些結(jié)果意味著我們可能會(huì)使用這種transkingdom信號(hào)通路激活根微生物群以固定氮，以及許多其他植物生長促進(jìn)服務(wù)，如產(chǎn)生抗生素或激素或增溶土壤養(yǎng)分。

“這種合成信號(hào)傳導(dǎo)途徑的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是，只有專門用于產(chǎn)生信號(hào)的特定作物才會(huì)受益。這意味著目前與化肥施用目標(biāo)作物一樣多的雜草將不會(huì)受益來自這些增強(qiáng)的植物 - 微生物協(xié)會(huì)，因?yàn)樗麄儾粫?huì)產(chǎn)生這種新的信號(hào)分子與細(xì)菌溝通。“

Poole，Oldroyd和Conway實(shí)驗(yàn)室未來的工作將集中在植物如何控制根系細(xì)菌的關(guān)鍵過程，如固氮，磷酸鹽溶解和植物生長促進(jìn)。這打開了細(xì)菌微生物組及其多樣化代謝的世界，以控制植物，特別是谷物。它可能是嘗試將固氮植入谷物中的關(guān)鍵組成部分。