A genome‐scale metabolic reconstruction of soybean and Bradyrhizobium diazoefficiens reveals the cost–benefit of nitrogen fixation

固氮 缓生根瘤菌 生物 固定(群体遗传学) 比例(比率) 基因组 计算生物学 基因 地理 地图学 细菌 遗传学
作者
Bethany L Holland,Megan L. Matthews,Pedro Bota,Lee Sweetlove,Stephen P. Long,George C. diCenzo
出处
期刊:New Phytologist [Wiley]
卷期号:240 (2): 744-756 被引量:19
标识
DOI:10.1111/nph.19203
摘要

Summary Nitrogen‐fixing symbioses allow legumes to thrive in nitrogen‐poor soils at the cost of diverting some photoassimilate to their microsymbionts. Effort is being made to bioengineer nitrogen fixation into nonleguminous crops. This requires a quantitative understanding of its energetic costs and the links between metabolic variations and symbiotic efficiency. A whole‐plant metabolic model for soybean ( Glycine max ) with its associated microsymbiont Bradyrhizobium diazoefficiens was developed and applied to predict the cost–benefit of nitrogen fixation with varying soil nitrogen availability. The model predicted a nitrogen‐fixation cost of c. 4.13 g C g − 1 N, which when implemented into a crop scale model, translated to a grain yield reduction of 27% compared with a non‐nodulating plant receiving its nitrogen from the soil. Considering the lower nitrogen content of cereals, the yield cost to a hypothetical N‐fixing cereal is predicted to be less than half that of soybean. Soybean growth was predicted to be c. 5% greater when the nodule nitrogen export products were amides versus ureides. This is the first metabolic reconstruction in a tropical crop species that simulates the entire plant and nodule metabolism. Going forward, this model will serve as a tool to investigate carbon use efficiency and key mechanisms within N‐fixing symbiosis in a tropical species forming determinate nodules.
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