[發(fā)明專利]泌銨與氮高親模塊偶聯(lián)的人工聯(lián)合固氮體系

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010435008.6
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111925974B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 柯秀彬;林敏;燕永亮;戰(zhàn)崳華;陸偉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所
• 主分類號: C12N1/21
• 分類號: C12N1/21;C12N15/11;C12N15/82;A01H5/00;A01H6/46;C12R1/38
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11129
• 代理人: 張濤

本發(fā)明提供了一種根據(jù)合成生物學(xué)理論與方法構(gòu)建的泌銨與氮高親模塊偶聯(lián)的人工聯(lián)合固氮體系。分別人工設(shè)計(jì)了兩種全新的功能模塊：即在固氮微生物底盤中構(gòu)建的“Neb+amtR”泌銨基因模塊和用在水稻、玉米和小麥等非豆科作物底盤中構(gòu)建的“Ham”氮高效利用模塊，并在作物根際通過種子包衣等接種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)上述兩種人工模塊的功能偶聯(lián)。與現(xiàn)有技術(shù)的聯(lián)合固氮系統(tǒng)相比，本發(fā)明的人工聯(lián)合固氮體系具有更高的生物固氮效率和植物促生效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于合成生物學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種泌銨與氮高親模塊偶聯(lián)的人工聯(lián)合固氮體系及其用途。

背景技術(shù)

氮肥投入是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者獲得高產(chǎn)的必要途徑。但是目前氮利用效率普遍不高，導(dǎo)致過度使用。植物根際是土壤-植物進(jìn)行物質(zhì)交換的活躍界面，也是宿主植物和微生物相互作用的主要活動(dòng)區(qū)。聯(lián)合固氮體系廣泛存在于水稻、玉米等非豆科作物根際，但是天然的聯(lián)合固氮體系有許多缺陷，如受根際生物逆境影響大、固氮效率低下以及野生固氮菌根表抗逆能力和耐銨能力弱、傳統(tǒng)農(nóng)作物根系氮利用能力弱。

合成生物學(xué)是以系統(tǒng)化設(shè)計(jì)和工程化構(gòu)建為理念的匯聚交叉學(xué)科，是新一代顛覆性生物技術(shù)的發(fā)展前沿。合成生物學(xué)利用工程化的設(shè)計(jì)理念，在作為“底盤”的活體宿主或用于轉(zhuǎn)錄和翻譯的體外系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)從元件到模塊再到系統(tǒng)的“自下而上”設(shè)計(jì)。利用生物系統(tǒng)的DNA、RNA、蛋白質(zhì)等生物大分子作為候選“元器件”進(jìn)行人工設(shè)計(jì)和智能改造，利用轉(zhuǎn)錄調(diào)控、代謝調(diào)控等生物功能將這些人工元器件關(guān)聯(lián)起來，創(chuàng)建人工“功能模塊”、“調(diào)控回路”或“智能系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)更高效、更節(jié)能或更環(huán)保的全新生物功能。

傳統(tǒng)的增強(qiáng)植物氮素利用效率的研究主要圍繞兩方面技術(shù)開展：一是通過對植物底盤的性能改良，人工設(shè)計(jì)氮高效利用功能模塊，使植物對氮素的親和力增強(qiáng)；二是人工設(shè)計(jì)固氮菌固氮及耐銨泌銨等模塊，提高根際固氮微生物的固氮效率，使固氮微生物為植物提供更多生物固定的氮素。

但是，傳統(tǒng)的方法存在研究周期長、微生物和植物的改良技術(shù)和應(yīng)用都相對獨(dú)立等諸多缺陷。因此，利用合成生物學(xué)技術(shù)建立一種全新的人工根際聯(lián)合固氮體系，對于提高氮肥利用率并降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對氮肥的依賴具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是建立一種全新的泌銨與氮高親模塊偶聯(lián)的人工聯(lián)合固氮體系。

本發(fā)明的泌銨與氮高親模塊偶聯(lián)的人工聯(lián)合固氮體系，是運(yùn)用合成生物學(xué)技術(shù)，分別人工設(shè)計(jì)并構(gòu)建兩種全新的功能模塊：固氮微生物底盤構(gòu)建的固氮泌銨基因模塊和非豆科植物底盤構(gòu)建的氮高效利用模塊，并在作物根際通過種子包衣等接種技術(shù)，將上述兩種模塊實(shí)現(xiàn)功能偶聯(lián)。

即，在具有氮高效利用功能模塊的重組植物(氮高效利用植物底盤)中接種具有固氮泌銨基因模塊的重組固氮工程菌(固氮微生物底盤)，以實(shí)現(xiàn)二者功能的協(xié)同。

所述固氮泌銨基因模塊，是包括人工設(shè)計(jì)的固氮激活蛋白Neb(由SEQ ID NO.1所示的DNA序列編碼)功能模塊和amtR(SEQ ID NO.2所示DNA序列的基因)銨轉(zhuǎn)運(yùn)功能模塊。

所述植物底盤的氮高效利用模塊，是人工設(shè)計(jì)的銨高親蛋白Ham功能模塊。本發(fā)明設(shè)計(jì)并構(gòu)建了三種植物底盤，具體為：

含有基因Ham和基因bar的重組玉米；

含有基因Ham和基因hyg的重組水稻；

含有基因Ham和基因NPT II的重組小麥。

其中，Ham是銨高親蛋白Ham的編碼基因，由本發(fā)明首次人工合成，其核苷酸序列為SEQ ID NO.3所示。

上述泌銨與氮高親模塊偶聯(lián)的人工聯(lián)合固氮體系的構(gòu)建方法，包括：

1)獲得固氮泌銨模塊，將所述固氮泌銨模塊導(dǎo)入固氮微生物中，獲得含所述固氮泌銨模塊的重組微生物；