BACTERIAS FIJADORAS DE NITRÓGENO

Las bacterias fijadoras de nitrógeno que se desarrollan de forma natural en el suelo, se conocen desde hace más de un siglo. Representan un biofertilizante ecológico y se dividen en dos grandes grupos: Las simbióticas, especificas de las leguminosas, como el Rhizobium, y las libres, que viven en el suelo y no necesitan la planta para su reproducción, como el Azotobacter y el Azospirillum, entre los más importantes en agricultura.

El Azotobacter y el Azospirillum, en concentraciones adecuadas, pueden sustituir al nitrógeno químico(Urea, amoníaco...)sin merma de la producción y a menor coste.

Otras ventajas comprobadas del uso de estas bacterias como biofertilizante son:

a) Producen fitohormonas, como el ácido indolacètico y las citoquininas, capaces de acelerar y potenciar el crecimiento de las plantas.

b) Al permanecer vivas durante años y reproducirse en el suelo, no sólo no lo degradan sino que contribuyen a su enriquecimiento en nitrógeno y a su regeneración de forma ecológica y gradual, incluso en terrenos de alta concentración salina.

c) Se ha comprobado que fertilizando los cultivos con estas bacterias y con nitrógeno químico en un porcentaje entre el 20 y 50% del utilizado normalmente, se consigue un aumento de producción sobre las cosechas obtenidas únicamente con fertilizante químico al 100%. Esto es debido a que, al liberarse la bacteria de su función fijadora de nitrógeno, produce más factores de crecimiento vegetal, En cereales de secano, esto puede suponer el ahorro del abonado de cobertera.

d) Crea una barrera protectora contra hongos y bacterias patógenas en la raíz de la planta, por lo que ésta crece más sana y fortalecida.

e) Producen enzimas que solubilizan los fosfatos y los hacen más accesibles a la planta, así como factores que facilitan la absorción de oligoelementos.

f) Se ha demostrado que resisten mejor las condiciones de sequía y los climas áridos ya que se forman alginatos en las raíces de las plantas.

g) Como consecuencia de todo lo anterior, es un mayor desarrollo de las raíces de las plantas, con el consiguiente beneficio general para ésta, así como el peso de los frutos.

h) También se ha comprobado un mayor índice de germinación de semillas comparada con otros sistemas de abonado.

i) Las nuevas estirpes de Azotobacter y Azospirillum son capaces de fijar un 72,64% más de nitrógeno atmosférico, que las estirpes originales.Hay pues un cúmulo de ventajas para el usuario, económicas, ecológicas, A corto, medio y largo plazo en la progresiva sustitución de la fertilización química por las bacterias naturales, totalmente inofensivas para el medio y el ser humano.

SIMBIOSIS DE MICROORGANISMOS FIJADORES CON PLANTAS NO LEGUMINOSAS

Podemos encontrarnos con tres tipos de simbiosis con plantas no leguminosas, tipos que designaremos según cual sea el microorganismo simbionte que fije el nitrógeno: Frankia, cianobacterias y Rhizobium.

Tipo Frankia:Los Frankia son una género de Streptomicetaceas que fijan nitrógeno en simbiosis con las plantas actinorrizas (plantas que pertenecen a tres órdenes cercanos filogenéticamente).La capacidad colonizadora de las plantas actinorrizas (especialmente géneros Alnus y Casuarina),sobre todo en suelos pobres en nitrógeno o en condiciones de estrés ambiental (deforestaciones, incendios, volcanes, retrotraimientos de glaciares, ...), las hacen idóneas para la reforestación de los suelos.En esta simbiosis, los nódulos están formados por agrupaciones de raíces cortas laterales que conforman una estructura lobular, con elementos vasculares centrales rodeados de células corticales infectadas de bacterias, que pasan el nitrógeno fijado a la planta en forma de amonio. Como se verá más adelante, estos nódulos son mucho más simples que los de las leguminosas.Los Frankia protegen a la nitrogenasa del oxígeno en el interior de unas vesículas esféricas multicelulares rodeadas de una cápsula, con lo que consiguen resistir hasta una concentración de oxígeno del 80%.

Tipo cianobacterias:Las cianobacterias (como ya hemos visto) pueden fijar nitrógeno libres, y forman simbiosis con diversos tipos de plantas, desde hongos hasta angiospermas.Por motivos obvios, la simbiosis entre una cianofícea y un hongo es un liquen. Se ha evaluado en 1’5 kg. por hectárea y año la cantidad de nitrógeno incorporado por líquenes del género Lobaria.Las simbiosis de Nostoc con algunas hepáticas (Briófitos) muestran una cierta dependencia del fotoasimilado suministrado por la planta.Entre las simbiosis con Pteridófitos, la más importantes es la que se da entre el helecho acuático Azolla y Anabaena; que llega a fijar mas de 600 kg. de nitrógeno por hectárea y año, siendo muy aprovechada en agricultura en los campos de arroz.También hay simbiosis de Nostoc con algunas Cicadales y Macrozamia. En cuanto a las angiospermas, la única simbiosis conocida se da entre este alga y especies del género Gunnera, que permite fijar hasta 70 kg. por hectárea y año.

FIJACIÓN SIMBIÓTICA EN LEGUMINOSAS

Unas de los puntos mas importantes dentro de la fijación biológica del nitrógeno es el de la simbiosis entre leguminosas y bacterias del genero Rhizobium. La manera en que se produce la infección y como los factores ambientales intervienen y alteran la simbiosis va a ser los dos puntos que vamos a tratar en este apartado.

ESTABLECIMIENTO DE LA SIMBIOSISMuchos de los estudios en este campo se desarrollan en la investigación de este paso. Mayoritariamente la infección viene por los pelo radicales, aunque hay varias excepciones como el caso de Arachis hypogea (cacahuete ).

-Antes de que la bacteria entre en la raíz hay una multiplicación de la primera a una velocidad superior a lo normal, esto es debido a la exudación de homoserina por la raíz, que es un estimulador del crecimiento de la población bacteriana. Esto es frecuente en Rhizobium leguminosarum pero no en otras especias de este genero que no afectan a leguminosas.Entre los aminoácidos que exuda la planta se encuentra el triptófano que es fácilmente convertido por Rhizobium en AIA ( ácido indolacético). Esto tiene una importancia crucial en la infección pues lleva consigo un crecimiento y engrosamiento del pelo radical. Es decir el AIA favorece la infección.

AtaduraAntes de la infección tiene lugar un intimo contacto entre Rhizobium y el pelo radical, este contacto tiene lugar de un modo perpendicular. Este anclaje se debe a unas proteínas azucaradas segregadas por la planta que actúan como haptenos determinantes de antígenos bacterianos. La especificidad de esta unión depende del tipo de bacteria en cuestión y las características de la misma en ese momento.

InfecciónLa deformación de los pelos radicales es el preludio para la infección. La infección comienza con un acumulo de metabolitos en la bacteria, paso primordial en esta etapa. En este punto intervienen enzimas proteoliticas de pared, que se encargan de abrir en la planta un hueco, lo que significa la entrada de la "invasión". Normalmente la infección crece centrípetamente hacia la estela, atravesando las células, corticales. Se han hecho experimentos con Fe-EDTA - inhibidor de la nodulación- y se observa una desorganización en los nódulos pues ya no siguen el esquema de la infección modelo dicha antes.

DESARROLLO DEL NÓDULOLos primeros pasos que se conocen es la segregación de fitohormonas como citoquininas y auxinas por las bacterias que inducen una proliferación celular. Hay otros factores de crecimiento desconocidos que se difunden por el xilema. Se sabe que en los siguientes pasos tienen lugar la formación de la enzima nitrogenasa pero el conocimiento sobre estos estadios es muy leve. Los estudios son complicados y hay que decir que la gran arma que se utiliza para desenmarañar este complejo proceso es la disponibilidad de distintos mutantes y su estudio.

FACTORES AMBIENTALES LIMITANTES DE LA SIMBIOSISHay muchos factores limitantes de la simbiosis, pero presumiblemente las mas importantes son las clases de terreno, la luz, la temperatura, el agua, los elementos minerales, etc.

Elementos mineralesDeficiencias o excesos en determinados elementos minerales afectan directamente o indirectamente en la nodulación.Por ejemplo el molibdeno es un constituyente de la nitrogenasa, así que un defecto de Mo en el medio causa un efecto directo y negativo en la fijación del nitrógeno. Sin embargo el Fe ( que también es un elemento constituyente de la nitrogenasa) no tiene un efecto directo sobre la fijación del nitrógeno cuando este escasea en el medio. También son importantes otros elementos como calcio, fósforo, azufre, cobre o zinc ya que originan cambios en el pH que si que va a afectar directamente a la fijación. Los

fertilizantes químicos utilizados tratan de influenciar un mayor crecimiento. de la planta y una mayor con fijación del nitrógeno.

TemperaturaQue la temperatura afecta a la simbiosis esta claro, pero esta interacción es de modo indirecto aparece de un modo no especifico a través de los procesos metabólicos de la planta como respiración, fotosíntesis, transporte y transpiración. En la leguminosas estudiadas, que tienen un ciclo de Calvin normal, su temperatura optima es de 15 a 20º C. No se han encontrado leguminosas tropicales con metabolismo C4.La respiración se incrementa con las altas temperaturas, esto hace que haya una menor disponibilidad de carbono para la simbiosis.Con menos de 7º C la nodulación se hace muy poco probable. En el caso extremo de altas temperaturas, se reduce el número de raíces laterales y pelos radicales, haciendo que la probabilidad de nodulación sea menor. A temperatura extremas tiene lugar una degradación de los nódulos.

LuzLa luz afecta a la simbiosis a través de la fotosíntesis, controlando la cantidad de carbohidratos para el desarrollo y funcionamiento del modulo. Existen evidencias de algunos efectos directos de la luz sobre la nodulación, así es por ejemplo que la nodulación es pobre bajo luz azul y máxima bajo efecto de la luz roja - esto implica una evidencia de la implicación del fitocromo reversible en el proceso de nodulación). Se han hecho experimento con la defoliación gradual de las plantas y se ve claramente como hay una reducción en la fijación del nitrógeno.

AguaLas deficiencias en la disponibilidad de agua causan un bajada en la fijación del nitrógeno en leguminosas de todo el mundo, de todos modos hay diferentes adaptaciones de estas plantas a las diversas condiciones de sequía, como ejemplo podemos citar a M. sativa que llega a proyectar sus raíces hasta siete metros de profundidad.

Otros factoresOtros factores posibles pueden ser los gases que hay en el terreno, las enfermedades como hongos, virus o micoplasmas (se ha estimado que estas enfermedades causan una perdida de al menos el 24 % de las leguminosas del forraje).Por ultimo debemos decir que las actividades del hombre también han modificado las cantidades de fijación de nitrógeno, la mayor parte de las veces es en beneficio (como puede ser la contribución a la nodulación con diferentes fertilizantes que ofrecen minerales al suelo que ayuda a la nodulación).

Microorganismos Fijadores de Nitrógeno: Familia

Rhizobiaceae

La revolución verde de los años sesenta trajo un notable incremento de la producción agrícola, gracias, sobre todo, al empleo generalizado de abonos químicos y semillas mejoradas. Pero el fertilizante nitrogenado, el más utilizado en agricultura, se lleva buena parte de la inversión en el campo. Para la fabricación de fertilizantes nitrogenados se requiere en general energía derivada de¡ petróleo. Por otro lado, su uso indiscriminado ha ocasionado graves problemas de contaminación, ya que no todo el fertilizante que se aplica lo aprovecha la planta; en una cuantía importante acaba en lagos y lagunas.

La fijación biológica de nitrógeno es la opción alternativa y natural de la fertilización química. De todos los seres vivos, sólo un centenar de géneros de bacterias están capacitados para fijar nitrógeno del aire, donde este elemento constituye alrededor del 70%, y convertirlo en compuestos asimilables por todos los organismos.

Entre las especies fijadoras de nitrógeno hay cianobacterias (Anabena y Nostoc, por ejemplo), arqueobacterias (Methanococcus), bacterias grampositivas (así, Frankia y Clostridium), enterobacterias (Klebsiella) y otras proteobacterias (Rhizobium, Azospirillum y Acetobacter, entre varias).

En la fijación biológica de nitrógeno el mundo orgánico halla su fuente principal de abastecimiento en dicho elemento. Si se suspendiera el proceso de fijación, todo el nitrógeno retenido en la biomasa regresaría a la atmósfera en 100 años. De poder fijar nitrógeno, el hombre no necesitaría ingerir proteínas. Pero la ambición de los científicos no es que el hombre fije nitrógeno, sino que los cultivos altamente extractivos de nutrientes del suelo puedan prescindir del uso de fertilizantes mediante la fijación biológica de nitrógeno.

En la naturaleza ya existen plantas que aprovechan la fijación de nitrógeno realizada por bacterias que se asocian con los vegetales. Ocho familias de plantas emparentadas entre sí gozan de la capacidad para asociarse en simbiosis con bacterias fijadoras de nitrógeno. Las plantas en cuestión alojan a las bacterias en estructuras especiales que se forman en sus raíces; en los nódulos, nombre de esas estructuras, las bacterias fijan el nitrógeno.

Individuos de los géneros Rhizobium. Bradyrhizobium y Azorhizobium penetran en las raíces y a veces en los tallos de las leguminosas, mientras que Frankia y otros actinomicetos son las responsables de la fijación de nitrógeno en Casuarina y otras especies.

Las leguminosas se cuentan entre las familias más numerosas, con unas 19.000 especies distribuidas por ambientes

muy dispares. Se admite que deben tamaño éxito adaptativo a su capacidad para fijar nitrógeno, lo que les permite colonizar suelos pobres en nutrientes. Pero no todas las especies están capacitadas para formar nódulos; tampoco se sabe cuántas establecen simbiosis. Las más conocidas son las que tienen valor comercial y alimentario para el ser humano o para el ganado, como el fríjol, la soja, el chícharo, la lenteja, el haba y la alfalfa. Todas ellas fijan nitrógeno atmosférico al establecer simbiosis con Rhizobium y otros géneros emparentados.

En comparación con el gran número de leguminosas, sólo se han identificado unas 15 especies de Rhizobium, tres de Bradyrhizobium y una de Azorhizobium, Por eso se sospecha que debe de haber una cifra elevada de especies de estas bacterias por describir. Los individuos de los géneros citados moran en el suelo y habitan en las zonas geográficas donde existe la planta con la que establecen simbiosis. En China, por ejemplo, hay una gran diversidad de bacterias capaces de nodular en la soja, pues ésta es originaria de Asia; mientras que en México no hay simbiontes de soja y sí una extensa variedad de Rhizobium simbiontes de fríjol, ya que éste es nativo de la región.

El estudio de las poblaciones de bacterias fijadoras de nitrógeno de fríjol de México y de Sudamérica nos llevó a proponer dos nuevas especies de Rhizobium. A una de ellas la llamamos R. efli, porque "etl" significa fríjol en náhuatl, y a la otra la denominamos R. tropici, por la región donde medra. R. efli también se encuentra en los lugares donde se ha introducido el fríjol, en España por ejemplo. Hemos hallado R. effl en las semillas de fríjol, lo que induce a suponer la existencia de un posible mecanismo de dispersión geográfica del Rhizobium conjuntamente con fríjol en tiempos históricos.

Dentro de una misma especie de Rhizobium observamos un grado de diversidad amplísimo. Proporcionalmente, la disparidad entre bacterias pudiera compararse con la distancia que separa al hombre de la gallina. La investigación de campo realizada en Nueva Zelanda sugiere un modelo explicativo sobre cómo pudo aumentar la diversidad de especies de Rhizobium. En su trabajo experimental, los investigadores añadieron al suelo (como inoculante) bacterias de Rhizobiumloti (ahora reclasificado como Mesorhizobium) para nodular en la planta Lotus, ya que en esos campos no había bacterias simbiontes de Lotus. El resultado fue toda una sorpresa: al recuperar las bacterias de los nódulos observaron que los aislados no correspondían con la bacteria introducida. La información genética para la simbiosis con Lotus se había transferido de la bacteria inoculada a distintas bacterias existentes en ese suelo. De ese modo se reclutaron nuevos tipos de Mesorhizobium con capacidad para nodular Lotus.

Por nuestra parte, hemos comprobado que, en suelos de México, las R. efli que carecen de capacidad para nodular y fijar nitrógeno en fríjol abundan más que las bacterias simbióticas, Creemos que esa capacidad puede, en condiciones naturales, transferirse entre estas bacterias. Por otro lado, la diversidad genética bacteriana tendría que ver con la manifiesta habilidad para sobrevivir y adaptarse a distintas condiciones de suelo y clima, así como para acoplarse a las variaciones que también existen dentro de las plantas de una misma especie.

Gracias a la diversidad intraespecífica que ofrecen Rhizobium y Bradyrhizobium se ha dispuesto de un acervo valioso para seleccionar las mejores cepas. Se han logrado así linajes óptimos para la fijación del nitrógeno, en cuanto han colonizado campos de cultivo. Buena parte del éxito de la producción de soja en Brasil (segundo productor mundial) hemos de atribuirlo al empleo de cepas de Braidyrhizobium que alcanzan máximo rendimiento en simbiosis.

En Brasil no hay simbiontes naturales de soja, por eso, la inoculación de bacterias del género Bradvrhizobium permitió el aprovechamiento de la fijación de nitrógeno en los cultivos de soja cuando éste se introdujo en ese país. En México, por el contrario, los experimentos de inoculación del fríjol han sido poco exitosos debido a un problema espinoso, La población nativa de Rhizobiuin efli, extensa, diversa y altamente competitiva, impide que las cepas introducidas como inoculante formen nódulos. Para resolver esta dificultad, varios grupos de distintos países, abordaron el estudio de la competencia de Rhizobium para crear nódulos.

Descripción general de la simbiosis de Rhizobium

Los Rhizobium son bacterias Gram negativas y aerobias obligadas que pertenecen a la familia Rhizobiaceae. Entre ellos se encuentran los géneros Rhizobium, Bradyrhizbium y Azorhizobium. Estos microorganismos del suelo forman una asociación simbiótica con distintas especies de plantas y durante la simbiosis son capaces de llevar a cabo la fijación de nitrógeno molecular. En la simbiosis las bacterias se encuentran en las raíces de las plantas dentro de estructuras llamadas nódulos. Ni la plantas ni estas bacterias aisladamente fijan el nitrógeno diatomico (N2) para convertirlo en amonio.

La simbiosis es inhibida si existe un exceso de nitrato o amiono en el suelo. Dentro de los nódulos las bacterias se convirten en bacteroides que son células más grandes que los Rhizobium que se encuentran en el suelo y que llevan a cabo la fijación de nitrógeno porque son capaces de formar la enzima nitrogenasa que es reponsable de la conversión del nitrógeno molecular en amonio. Debido a esta simbiosis, la planta recibe nitrógeno que puede utilizar para si misma, mientras que las bacterias utilizan moléculas que les proporciona la planta.

Existen muchos genes de rhizobium característicos de la simbiosis como por ejemplo los genes nod, nol, nif y fix. Los nódulos aparecen rojos por causa de una proteína llamada leghemoglobina. Después de la fase de fijación de nitrógeno, el color del nódulo llega a ser verde debido a la conversión de leghemoglobina en biliverdina.

Leghemoglobina protege a la nitrogenasa de los altos niveles de oxígeno y evitar la inactivación de esta enzima. Cada tipo de Rhizobium tiene espectro específico de plantas con las que es capaz de formar nódulos. Por ejemplo, Bradyrhiobium japonicum forma una simbiosis con Glycine max, Rhizobium leguminosarum bv. viciae con Pisum sativum o Vicia faba, Rhizobium (Sinorhizobium) meliloti con Medicago sativa y Azorhizobium caulinodans con Sesbania rostrata. Azorhizobium caulinodas es capaz de fijar nitrógeno también fuera de su planta hospedadora.

La simbiosis

Solamente las leguminosas son capaces de utilizar el nitrógeno en forma de nitrato o amonio para la síntesis de compuestos nitrogenados como los aminoácidos. En la simbiosis con los Rhizobium se forman nódulos rizoidales, en los cuales las bacterias simbióticas fijan el nitrógeno atmosférico que proporcionan a la planta. Por eso, en presencia de estas bacterias simbióticas las leguminosas pueden crecer en suelos que no tienen suficiente nitrato o amonio para un desarrollo normal de la planta. Por esta razón los Rhizobium pueden ser utilizados como inoculantes para mejorar el crecimiento de leguminosas en lugar de abonos. Por otro lado, las bacterias utiliza moléculas de la planta y de esta forma, ambos "socios" tienen una ventaja de la simbiosis.

Nodulación en leguminosas

Todos los organismos vivos necesitan de una fuente nitrogenada para poder crecer, dado que muchos de los principales compuestos celulares, como las proteínas y ácidos nucleicos, contienen en su estructura nitrógeno. Dada la gran variedad de seres vivos que existen en la naturaleza, existen diferentes compuestos nitrogenados que los diferentes organismos son capaces de asimilar, para el caso de las plantas la fuente de nitrógeno que pueden utilizar es el amonio (NH4+) y el nitrato (NO3-), o sea compuestos nitrogenados inorgánicos. Para el caso de los animales superiores además de requerir amonio, requieren de compuestos nitrogenados orgánicos, como aminoácidos o bases nitrogenadas.

Es importante decir que todos los compuestos nitrogenados provienen del nitrógeno molecular (N2), que representa el 80% de los gases que forman la atmósfera terrestre. Solo existen unos organismos capaces de asimilar el N2, estos organismos son bacterias que se conocen con el nombre de bacterias nitrificantes o fijadoras de nitrógeno. Los demás organismos de la naturaleza no pueden asimilar el N2 de la atmósfera y por lo tanto para adquirir el nitrógeno que necesitan dependen del metabolismo de las bacterias nitrificantes para tener una fuente nitrogenada. Las plantas y demás organismos son incapaces de asimilar el nitrógeno en forma molecular, excepto por las bacterias nitrificantes que por medio de su metabolismo toman el N2 de la atmósfera y lo convierten en amonio por medio de la enzima nitrogenasa y la hidrolisas del ATP. Ya estando en forma de amonio o nitrato el nitrógeno puede ser utilizado por las plantas.

Las bacterias nitrificantes o fijadoras de nitrógeno se acoplan con un numero significativo de especies vegetales en una relación que llaman simbiosis (relación entre dos especies donde ambas reciben un beneficio, pero no es absolutamente indispensable para la sobrevivencia de alguna de las especies), o sea que algunas especies de plantas se asocian en relación simbiótica con las bacterias nitrificantes. Las plantas que se asocian con las bacterias nitrificantes son las llamadas leguminosas y las bacterias fijadoras de nitrógeno son del genero Rhizobium. Las bacterias del genero Rhizobium son habitantes naturales del suelo que infectan las raíces de ciertas leguminosas. Al Llevar a cabo esta infección, se desarrollan unas estructuras en el sistema radicular de las plantas llamadas nódulos, donde viven las bacterias y fijan nitrógeno.

La especie a la que pertenece un cierto Rhizobium se define por la especie de la planta que nodula y en la que es capaz de fijar nitrógeno. El nódulo es una estructura situada en el sistema radicular de la planta, formada por tejido de la planta. Algunas de las células que lo constituyen contiene bacterias englobadas en membranas dentro de su citoplasma, estas bacterias atraviesan un proceso de diferenciación y es precisamente la forma diferenciada (bacteroide) la que fija nitrógeno. El bacteroide es mayor que la bacteria, posee una forma irregular y se muestra mas sensible a cambios de presión osmótica.

El nódulo viene a ser un órgano de la leguminosa encargado de fijar y asimilar nitrógeno para la planta, y la planta le proporciona al nódulo (al nódulo y a las bacterias que están en su interior) carbohidratos producto de la fotosíntesis. Se ha establecido que la información genética que determina que Rhizobium sea capaz de infectar específicamente una leguminosa y fijar nitrógeno en asociación con ella esta codificada en cierta molécula de AND extracromosómica conocidas como plasmidios. A cada especie de leguminosa le corresponde un Rhizobium especifico, Por ejemplo al trébol lo nodula el Rhizobium trifolii.

La especificidad del Rhizobium que nodula una leguminosa esta determinado en el código genético y se dice que por la presencia de un plasmidio en el ADN, plasmidio que se trasmite a la bacteria o por conjugación del Rhizobium especifico. En resumen se puede decir que el Rhizobium promueve la realización de la simbiosis con la planta, pegándose a su sistema radicular con el objeto de conseguir energía para metabolizar, pero se encuentra con que la planta hospedera le da la contra orden al Rhizobium de que si este me da nitrógeno en forma de amonio yo le dono su energía para metabolizar.

Reconocimiento entre planta y Rhizobium

Las raíces de plantas forman exudados que inducen la expresión de genes rhizobiales que son característicos para el comienzo de la simbiosis. Uno de esos factores son flavonoides que producen una interacción con la proteina codificada por el gen nodD. La proteina NodD y las substancias flavonoides forman parte del reconocimiento hospedador-específico debido a que no todos los flavonoides pueden interactuar con una NodD de una especie bacteriana dada. Después, las proteinas codificadas por los genes nod catalizan la formación de los metabolitos nod. Esos son oligómeros de N-acetil glucosamina con algunas alteraciones químicas.

Invasión

La invasión de las plantas se lleva a cabo por los pelos radiculares. Las bacterias inducen una curvación de esos pelos mediante el contacto con la planta y la producción de metabolitos nod. Las bacterias invaden las plantas mediante el desarrollo de canales de infección, por lo que se forman túneles transcelulares. Durante la penetración, y la simbiosis, las bacterias no quedan alojadas directamente dentro del citoplasma de las células de la planta hospedadora, sino que permanecen alojadas en "vesículas" rodeadas por una membrana derivada de la membrana citoplasmática de la célula de la planta.

Nitrogenasa

La nitrogenasa es el enzima responsable de la reducción de nitrógeno atmosférico a amonio en la simbiosis entre Rhiozbium y leguminosa. Se compone de las proteinas NifH, NifD y NifK. La nitrogenasa contiene dos proteinas NifD y dos proteinas NifK. Esas cuatro proteínas forman la dinitrogenasa. Además, la nitrogenasa contiene dos proteinas NifH. Esas sirven como reductasa de la dinitrogenasa. La mayoría de las nitrogenasas contienen un cofactor con Fe y Mo. Sin embargo, hay también nitrogenasas que carecen de Mo y contienen Fe o V por ejemplo. Para la reducción del nitrógeno, se transportan electrones de la reductasa de la dinitrogenasa a la dinitrogenasa y finalmente al nitrógeno. El amonio formado durante la fijación del nitrógeno es proporcionado a la planta en forma de aminoácidos.

Hidrogenasa

Esta proteína no es sintetizada por todas las especies de la familia Rhizobiaceae y cataliza la reacción de oxígeno con el hidrógeno formado durante la fijación del nitrógeno. De esta forma reduce la concentración del hidrógeno y del oxígeno dentro del nódulo. Existen especies de Rhizobium que tienen la posibilidad de utilizar la energía que resulta de esa reacción para formar ATP.

Leghemoglobina

Leghemoglobina es una proteína que contiene una porción hemo. La subunidad hemina es formada por las bacteroides, mientras que la globina es formada por la planta. Leghemoglobina es responsable del color rojo de los nódulos activos. Sirve para limitar la concentración de oxígeno dentro del nódulo. De esta forma los bacteroides reciben suficiente oxígeno para sobrevivir y se evita que la nitrogenasa que puede ser inactivada por el oxígeno.

Genes nod

Se diferencian en genes comunes de nodulación, nodA, nodB y nodC, y en genes nod que son hospedador-específicos. Existe una regulación de los genes de la fijación de nitrógeno a base al gen nodD. El producto de este gen interactúa con los flavonoides característicos producidos por la planta hospedadora y por eso es responsable de la especificad de las simbiosis. Debido a la interacción con los flavonoides de la planta, la proteína NodD activa la transcripción de genes, que por su parte tienen una "caja de nodulación". Esta se encuentra en la región donde está el promotor de los genes regulados por nodD. La expresión de estos genes es específica para la simbiosis.

Regulación de la expresión de los genes simbióticos

El sistema FixLJ, NifA y RpoN en Rhizobium meliloti (Sinorhizobium meliloti) tiene un sistema de regulación de expresión de genes en relación a la concentración de oxígeno. Las proteínas FixL y FixJ tienen un papel importante en esta regulación. FixL se autofosforiliza y es capaz de transferir el fosfato a FixJ. En caso de baja concentraciónde oxígeno, se aumenta la concentración de FixJ fosforililada dentro de la célula. La proteína FixJ fosforililada activa los genes nifA y otros genes. NifA es un regulador positivo de los genes necesarios para la fijación de nitrógeno. Un factor sigma necesario para la trascripción eficaz de muchos genes simbióticos es el RpoN.

CONCLUSIONES

Se determinó que el Rhizobium es una bacteria que forma nódulos con las leguminosas y fijan nitrógeno atmosférico.

Los nódulos son estructuras que se forman en las raíces de las leguminosas, alojan a las bacterias en su interior. En estas estructuras las bacterias se trasforman en bacteroides, que son los encargados de fijar el nitrógeno atmosférico.

El bacteroide es mayor que la bacteria, posee una forma irregular y se muestra mas sensible a cambios de presión osmótica

Además los bacteroides llevan a cabo la fijación de nitrógeno porque son capaces de formar la enzima nitrogenasa que es responsable de la conversión del nitrógeno molecular en amonio.

No todas las especies de leguminosas forman simbiosis con Rhizobium. Las más conocidas son las que tienen valor comercial y alimentario para el ser humano o para el ganado, como el fríjol, la soja, el chícharo, la lenteja, el haba y la alfalfa.

La fijación biológica del nitrógeno es una biotecnología agrícola respetuosa con el medio ambiente y representa una alternativa a la fertilización nitrogenada, evitando la contaminación de suelos y aguas por nitratos.

El ciclo de nitrógeno es un conjunto de procesos biogeoquímicos por los cuales el

nitrógeno pasa por reacciones químicas, cambia de forma y se mueve por

diferentes embalses en la tierra, incluyendo en organismos vivientes

El nitrógeno es requerido para que todos los organismos se mantengan vivos y

crezcan porque es un componente esencial para ADN, ARN y proteína. Sin embargo,

la mayoría de los organismos no pueden utilizar nitrógeno atmosférico, el embalse

mas grande.

Los cinco procesos en el ciclo de nitrógeno – fijación, asimilación, mineralización (o

amonificación), nitrificación y desnitrificación

Los humanos influyen el sistema global de nitrógeno principalmente por medio de

la utilización de fertilizantes basados en nitrógeno.

El Nitrógeno (N), el ladrillo que construye la vida, es un componente esencial del ADN, del

ARN, y de las proteínas. Todos los organismos requieren nitrógeno para vivir y crecer. A

pesar que la mayoría del aire que respiramos es N2, la mayoría del nitrógeno en la

atmósfera no está al alcance para el uso de los organismos. La razón reside en que debido

al fuerte enlace triple entre los átomos N en las moléculas de N2, el nitrógeno es

relativamente inerte. En realidad, para que las plantas y los animales puedan usar

nitrógeno, el gas N2 tiene primero que ser convertido a una forma química disponible como

el amonio (NH4+), el nitrato (NO3

-), o el nitrógeno orgánico (e.g. urea - (NH3)2CO). La

naturaleza inerte del N2 significa que el nitrógeno biológico disponible es, a menudo,

escaso en los ecosistemas naturales. Esto limita el crecimiento de las plantas y la

acumulación de biomasa.

El Nitrógeno es un elemento increiblemente versátil que existe en forma inorgánica y

orgánica, a la vez que en muchos y diferentes estados de oxidación. El movimiento del

nitrógeno entre la atmósfera, la bioesfera y la geoesfera en sus diferentes formas está

descrito en el ciclo del nitrógeno (Figura 1). Éste es uno de los ciclos biogeoquímicos más

importantes. Al igual que el ciclo carbónico, el ciclo del nitrógeno consiste en varios bancos o bolsas de

almacenamiento de nitrógeno y de procesos por los cuales las bolsas intercambian nitrógeno (flechas).

Figura 1: El Ciclo del nitrógeno. Las flechas amarillas indican las fuentes humanas

de nitrógeno para el ambiente. Las flechas rojas indican las transformaciones

microbianas del nitrógeno. Las flechas azules indican las fuerzas físicas que

actuan sobre el nitrógeno. Y las flechas verdes indican los procesos naturales y no

microbianas que afectan la forma y el destino del nitrógeno.

Los procesos principales que componen el ciclo del nitrógeno que pasa por la bioesfera, la

atmósfera y la geoesfera son cinco: la fijación del nitrógeno, la toma de nitrógeno

(crecimiento de organismos), la mineralización del nitrógeno (desintegracion), la

nitrificación y la denitrificación. Los microorganismos, particularmente las bacterias,

juegan un importante papel en todos las principales transformaciones del nitrógeno. Como

procesos de mediación microbiales, estas transformaciones de nitrógeno ocurren

generalmente más rápido que los procesos geológicos, tales como los movimientos de

placas que es un proceso puramente físico que hace parte del ciclo carbónico. En el caso de los

procesos de mediación microbianas, la velocidad se ve afectada por factores ambientales como la temperatura, la

humedad y la disponibilidad de recursos que influyen la actividad microbiana.

©The Microbial World

Figura 2: Parte del sistema de raíz en forma de trébol, o triple, tiene lugar gracias

a los nódulos de Rhizobium, que es la bacteria que fija el nitrógeno atmosférico.

Cada nódulo mide apróximadamente 2-3 mm. de largo. La imágen es cortesía de

ttp://helios.bto.ed.ac.uk/bto/microbes/nitrogen.htm.

La Fijación del Nitrógeno

N2 NH4+ La fijación del nitrógeno es un proceso en el cual el N2 se convierte en amonio.

Éste es esencial porque es la única manera en la que los organismos puede obtener

nitrógeno directamente de la atmósfera. Algunas bacterias, por ejemplo las del género

Rhizobium, son los únicos organismos que fijan el nitrógeno a través de procesos

metabólicos. Esta simbiosis ocurre de manera bien conocida, en la familia de las

legumbres (por ejemplo, fríjoles, arbejas y tréboles). En esta relación, la bacteria que fija el

nitrógeno habita los nódulos de las raíces de las legumbres (Figura 2) y reciben

carbohidratos y un ambiente favorable de su planta anfitriona a cambio de parte del

nitrógeno que ellas fijan. También hay bacterias que fijan el nitrógeno que existe, sin

plantas anfitrionas. Éstas son conocidas como fijadores de nitrógeno libre sin límites. En

ambientes acuáticos, las algas azules verdosas (en realidad una bacteria llamada

cianobacteria) es una importante fijadora de nitrógeno libre sin límites.

Además del nitrógeno que fija la bacteria, eventos de alta energía natural, tales como los

relámpagos, fuegos forestales, y hasta flujos de lava, pueden causar la fijación de

pequeñas, pero significativas cantidades de nitrógeno. (Figura 3). La alta energía de estos

fenómenos naturales puede romper los enlaces triples de las moléculas de N2, haciendo

alcanzables átomos individuales de N para la transformación química.

En el curso del último siglo, los humanos se han convertido en fuentes fijas de nitrógeno,

tan importantes como todas las fuentes naturales de nitrógeno combinadas: quemando

combustible de fósiles, usando fertilizantes nitrogenados sintéticos y cultivando legumbres

que fijan nitrógeno . A través de estas actvidades, los humanos han duplicado la cantidad

de nitrogeno fijada que se dispersa en la bioesfera cada año (Figura 3). En seguida se discute las

consecuencias de este proceso.

Figura 3: El aumento reciente de la fijación antropogénica N en

relación a la fijación 'natural'. Modificado de Vitousek, P. M. and P.

A. Matson (1993). Agriculture, the global nitrogen cycle, and trace

gas flux. The Biogeochemistry of Global Change: Radiative Trace

Gases. R. S. Oremland. New York, Chapman and Hall: 193-208.

La toma del Nitrógeno

NH4+ N Orgánico El amonio producido por el nitrógeno que fija la bacteria es

usualmente incorporado rápidamente en la proteína y otros compuestos de nitrógeno

orgánico, ya sea por la planta anfitriona, por la misma bacteria, o por otro organismo del

suelo. Cuando los organismos más cercanos a lo alto de la cadena alimenticia (como

nosotros!) comen, usan el nitrógeno que ha sido inicialmente fijado por el nitrógeno que

fija la bacteria.

La Mineralización del Nitrógen

El N Orgánico NH4+ Después de que el nitrógeno se incorpora en la materia orgánica,

frecuentemente se vuelve a convertir en nitrógeno inorgánico a través de un proceso

llamado mineralización del nitrógeno, también conocido como desintegración. Cuando los

organismos mueren, las materias de descomposición (como la bacteria y los hongos)

consumen la materia orgánica y llevan al proceso de descomposición. Durante este

proceso, una cantidad significativa del nitrógeno contenido dentro del organismo muerto

se convierte en amonio. Una vez que el nitrógeno está en forma de amonio, está también

disponible para ser usado por las plantas o para transformaciones posteriores en nitrato

(NO3-) a través del proceso llamado nitrificación.

Nitrificación

NH4+ NO3

- Parte del amonio producido por la descomposición se convierte en nitrato a

través de un proceso llamado nitrificación. Las bacterias que llevan a cabo esta reacción

obtienen energía de sí misma. La nitrificación requiere la presencia del oxígeno. Por

consiguiente, la nitrificación puede suceder sólamente en ambientes ricos de oxígeno,

como las aguas que circulan o que fluyen y las capas de la superficie de los suelos y

sedimentos. El proceso de nitrificación tiene algunas importantes consecuencias. Los iones

de amonio tienen carga positiva y por consiguiente se pegan a partículas y materias

orgánicas del suelo que tienen carga negativa. La carga positiva previene que el nitrógeno

de amonio sea barrido (o lixiviado) del suelo por las lluvias. Por otro lado, el ión de nitrato

con carga negativa no se mantiene en las partículas del suelo y puede ser barrido del perfil

de suelo. Esto lleva a una disminución de la fertilidad del suelo y a un enriquecimiento de

nitrato de las aguas corrientes de la superficie y del subsuelo.

La Denitrificación

NO3- N2+ N2O A través de la denitrificación, las formas oxidadas de nitrógeno como el

nitrato y el nitrito (NO2-) se convierten en dinitrógeno (N2) y, en menor medida, en gas

óxido nitroso. La denitrificación es un proceso anaeróbico llevado a cabo por la bacteria

que denitrifica, que convierte el nitrato en dinitrógeno en la siguiente secuencia:

NO3- NO2

- NO N2O N2.

El óxido nítrico y el óxido nitroso son gases importantes para el ambiente. El óxido nítrico

(NO) contribuye a formar smog, y el óxido nitroso (N2O) es un gas de invernadero

importante, por lo que contribuye a los cambios globales climatológicos.

Una vez que se conviete en dinitrógeno, el nitrógeno tiene pocas posibilidades de

reconvertirse en una forma biológica disponible, ya que es un gas y se pierde rapidamente

en la atmósfera. La denitrificación es la única trasformación del nitrógeno que remueve el

nitrógeno del ecosistema (que es esencialmente irreversible), y aproximadamente

balancea la cantidad de nitrógeno fijado por los fijadores de nitrógeno descritos con

anterioridad.

La alteración humana del ciclo del N y sus consecuencias ambientales

A principios del siglo 20, un científico alemán llamado Fritz Haber descubrió como acortar

el ciclo del nitrógeno fijando quimicamente el nitrógeno a altas temperaturas y presiones,

creando así fertilizantes que podían ser añadidos directamente al suelo. Esta tecnología se

extendió rápidamente durante el último siglo. Junto al advenimiento de nuevas variedades

de cultivo, el uso de fertilizantes de nitrógeno sintético ha traído un enorme crecimiento en

la productividad agricola. Esta productividad agricola nos ha ayudado a alimentar a una

población mundial en rápido crecimiento, pero el aumento de la fijación del nitrógeno

también ha traído algunas consecuencias negativas. Aunque las consecuencias no sean

tan obvias como el aumento de las temperaturas globales o el agujero de la capa de

ozono, son muy serias y potencialmente dañinas para los humanos y otros organismos.

No todos los fertilizantes de nitrógeno aplicados a los campos de la agricultura se

mantienen para alimentar los cultivos. Algunos son barridos de los campos de agricultura

por la lluvia o el agua de irrigación, y son lixiviados en la superficie o en el agua del suelo y

pueden acumularse. En el agua del suelo que se usa como fuente de agua potable, el

nitrógeno excesivo puede provocar cancer en los humanos y dificultades respiratorias en

los niños. La U.S. Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental de

los Estados Unidos) ha establecido un standard de nitrógeno para el agua potable que es

de 10 mg por litro de nitrato-N. Desafortunadamente, muchos sistemas (particularmente

en las áreas de agricultura) ya exceden estos niveles. En comparación, los niveles de

nitrato en las aguas que no han sido alteradas por la actividad humana y rara vez son

mayores de 1 mg/L. En las aguas de la superficie, el nitrógeno añadido puede provocar un

enriquecimiento excesivo de nutrientes, particularmente en las aguas de la costa que

reciben afluencia de los ríos polucionados. A este enriquecimiento excesivo de nutrientes,

también llamado eutroficación, se lo acusa del aumento de la frecuencia de eventos que

matan a los peces de la costa, del aumento de la frecuencia del florecimiento de algas

dañinas y de cambios en las especies dentro del ecosistema de la costa.

El nitrógeno reactivo (como el NO3- and NH4

+) que se encuentra en el agua y suelos de la

superficie, también puede ingresar en la atmósfera como el componente del smog óxido

nítrico (NO) y el gas de invernadero óxido nitroso (N2O). Eventualmente, este nitrógeno

atmosférico puede ser soplado en ambientes terrestres que son sensibles al nitrógeno

causando cambios de largo plazo. Por ejemplo, los óxidos de nitrógeno contienen una

porción significativa de la acidez en la lluvia ácida que es la causante de la deforestación

en partes de Europa y del Noreste de Estados Unidos. El aumento de depósitos de

nitrógeno atmosférico también causa los cambios más sutiles en las especies dominantes

y funciones del ecosistema en algunos bosques y prados. Por ejemplo, en los suelos

serpentina con poco nitrógeno de los prados del Norte de California, los conjuntos de

plantas se han limitado históricamente a las especies nativas que pueden sobrevivir sin

mucho nitrógeno. En este momento, hay evidencia que los niveles elevados de entrada de

N atmosférico proveniente del desarrollo industrial y agrícola, han allanado el camino para

una invasión de plantas no nativas. Como se ha señalado con anterioridad, el NO es un

factor esencial en la formación del smog, que también causa enfermedades respiratorias

como el asma en niños y adultos.

Actualmente, hay muchas investigaciones dedicadas a entender los efectos del

enriquecimiento del nitrógeno en el aire, en el agua del subsuelo, y en el agua en la

superficie. Los científicos también están explorando prácticas agrícolas alternativas, que

sostendrán una alta productividad, a la vez que disminuirán los impactos negativos

causados por el uso de fertilizantes. Estos estudios no sólo nos ayudan a cuantificar cómo

los humanos hemos alterado el mundo natural, sino también a aumentar nuestro

conocimiento sobre los procesos que forman el ciclo del nitrógeno.