Major cereal crops benefit from biological nitrogen fixation when inoculated with the nitrogen-fixing bacterium Pseudomonas protegens Pf-5 X940

A main goal of biological nitrogen fixation research has been to expand the nitrogen-fixing ability to major cereal crops. In this work, we demonstrate the use of the efficient nitrogen-fixing rhizobacterium Pseudomonas protegens Pf-5 X940 as a chassis to engineer the transfer of nitrogen fixed by BNF to maize and wheat under non-gnotobiotic conditions. Inoculation of maize and wheat with Pf-5 X940 largely improved nitrogen content and biomass accumulation in both vegetative and reproductive tissues, and this beneficial effect was positively associated with high nitrogen fixation rates in roots. 15N isotope dilution analysis showed that maize and wheat plants obtained substantial amounts of fixed nitrogen from the atmosphere. Pf-5 X940-GFP-tagged cells were always reisolated from the maize and wheat root surface but never from the inner root tissues. Confocal laser scanning microscopy confirmed root surface colonization of Pf-5 X940-GFP in wheat plants, and microcolonies were mostly visualized at the junctions between epidermal root cells. Genetic analysis using biofilm formation-related Pseudomonas mutants confirmed the relevance of bacterial root adhesion in the increase in nitrogen content, biomass accumulation and nitrogen fixation rates in wheat roots. To our knowledge, this is the first report of robust BNF in major cereal crops.

Inst. de Genética "Ewald A. Favret"- IGEAF

Fil: Fox, Ana Romina. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Instituto de Genética "Ewald A. Favret"; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina

Fil: Soto, Gabriela Cinthia. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Instituto de Genética "Ewald A. Favret"; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina

Fil: Valverde, Claudio Fabián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Quilmes. Departamento de Ciencia y Tecnología; Argentina

Fil: Russo, Daniela Marta. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de Buenos Aires. Fundación Instituto Leloir. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de Buenos Aires; Argentina

Fil: Lagares, Antonio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Quilmes. Departamento de Ciencia y Tecnología; Argentina

Fil: Zorreguieta, Angeles. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de Buenos Aires. Fundación Instituto Leloir. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de Buenos Aires; Argentina

Fil: Alleva, Karina Edith. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina

Fil: Pascuan, Cecilia Gabriela. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Instituto de Genética "Ewald A. Favret"; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina

Fil: Frare, Romina Alejandra. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Instituto de Genética "Ewald A. Favret"; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina

Fil: Mercado Blanco, Jesús. Consejo Superior de Investigaciones Científicas. Instituto de Agricultura Sostenible. Departamento de Protección de Cultivos; España

Fil: Dixon, Ray. John Innes Centre. Department of Molecular Microbiology; Reino Unido

Fil: Ayub, Nicolás Daniel. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Instituto de Genética "Ewald A. Favret"; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina