rio b. fijacion n2 andrea burfeid
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Cuestionario B. Fijación biológica del N2. Contestar a las siguientes preguntas utilizando el espacio que aparece en las tablas.
B-1 ¿Qué se entiende por fijación
biológica del nitrógeno?
La fijación biológica de nitrógeno se basa en la recuperación de nitrato de un suelo por medio de
microorganismos (diazotrofos). La mayor parte se encuentra en el suelo, independientemente de las plantas;
en pocos casos, con poca concentración de nitrógeno en el medio, se pueden dar en simbiosis con plantas.
B-2. Describe tres asociaciones
simbióticas de microorganismos
fijadores de N2 con plantas
superiores
1 Las leguminosas se unen a los
rizobios. Dependiendo de las
latitudes en las que se dan dichas
simbiosis, el nódulo que crean es
determinado (leguminosas de
trópicos) o indeterminado (en el
caso de guisantes o leguminosas
de clima temperado).
2 Especies leñosas (alisos) se
asocian con bacterias del género
Frankia. Estas uniones se conocen
como Actinorrizas.
3 Los géneros Gunnera y los
helechos Azolla se unen a las
cianobacterias Nostoc y
Annabaena.
B-3. Indicar las principales
estrategias de las cianobacterias
para evitar la presencia de O2
cuando fija N2
Cianobacterias SIN heterocistos
Deben encontrarse en medios
totalmente anaeróbicos como se
pueden dar en suelos inundados.
Cianobacterias CON heterocistos
Se crea una célula dentro de la cianobacteria, con amplias paredes
celulares, en la que no se encuentra el fotosistema II, principal creador
de oxígeno. El oxígeno, por lo tanto, no puede entrar dentro de esta
célula permitiendo así la actuación de la nitrogenasa
B-4. Indicar las principales
estrategias de las leguminosas
para evitar la presencia de O2
cuando fijan N2
La regulación de permeabilidad
de los gases de los nódulos evita
el exceso de O2 y permite el
mínimo requerido para dar la
respiración de la planta.
La alteración del paso de agua en
los espacios intercelulares permite
evitar un exceso de oxígeno
debido a la reducida solubilidad
de éste.
Creación de leghemoglobina para
abastecer a las bacterias con
oxígeno para permitirles la
respiración aeróbica especializada
de las células simbontes.
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B-5. Los siguientes esquemas y fotografías muestran diferentes fases en el establecimiento de la simbiosis Rhizobium-leguminosa. Esquematiza
en cada figura los acontecimientos moleculares que tienen lugar. (Cárdenas L et al. 2000. Ion changes in legume root hairs responding to Nod factors. Plant
Physiology 123:443-451).
Reconocimiento entre planta
y bacterias por señales
químicas (isoflavonoides y
betaínas del vegetal, factores
Nod de las bacterias) y se dan por
condiciones limitantes de nitrógeno.
La unión de los
rizobios a los pelos
radiculares de la
leguminosa facilita la
liberación de los
factores Nod que
inducen la curvatura
de dichos pelos
rodeándolos.
Degradación de la
pared celular del
pelo radicular
(respuesta a los
factores Nod) para
permitir el paso de
las bacterias al
interior de la
planta.
Formación de un
canal de infección
produciendo una
fusión de los
canales Golgi para
permitir el paso de
las bacterias sin
penetrar en las
propias células vegetales.
Desdiferenciación de las células corticales e
inicio de
división del
primordio
nodular.
Desarrollo de un
sistema vascular
para el
intercambio de
productos
metabólicos de
planta y
bacteroide y
creación de un núcleo anoxigénico.
B-6. ¿Qué papel desempeñan los flavonoides y
betainas en el establecimiento de la simbiosis? Subramanian S et al. 2007. Distinct, crucial roles of flavonoids
during legume nodulation. Trends in Plant Science 12(7):282-
285.
Los flavonoides y las betaínas son las
moléculas señal que libera la raíz de las
leguminosas con tal de atraer las bacterias
para establecer la simbiosis y activan la
proteína NodD para activar la
transcripción de los genes nod.
¿Consideras que las plantas no leguminosas
que crecen en la misma zona que las
leguminosas no liberan flavonoides?
Probablemente sí liberen flavonoides, pero
podrán ser específicos para otros
microorganimos simbiontes.
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B-7.¿Qué función tienen las citoquininas en el proceso
de nodulación? ¿Cómo se desencadena la señal? Frugier F. et al 2008. Trends in Plant Science 13(3)115-120
Funciones de las CKs en la nodulación
Regulan la organogénesis en los nódulos y dan
la regulación de la susceptibilidad a la
infestación por medio de los factores de
transcripción. Favorece el inicio de
duplicación y diferenciación de las células
corticales del nódulo.
Mecanismo de transducción de la señal
Los factores de transcripción NIN (iniciadores
de nodulación) son activados por la citoquinina
y, de igual manera que el receptor LHK1, que
inicia las divisiones celulares externas del
nódulo.
B-8. ¿En qué se diferencia un bacteroide de una
bacteria?
Diferencias morfológicas
Alargamiento de la célula, (paro de
división), cambio de forma, cambio de
membrana plasmática a membrana
peribacteroidal.
Diferencias bioquímicas
Se crean las proteínas del complejo nitrogenasa
y se dan cambios en los citocromos para
soportar las bajas concentraciones de oxígeno.
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B-9. Este esquema muestra un
nódulo indeterminado. Identifica
las estructuras que aparecen
indicadas con las abreviaturas y
describe brevemente los procesos
que tienen lugar en cada una de
las zonas señaladas. (http//www.uam.es/personal_pdi/ciencia
s/bolarios/Investigacion/fijacionN.htm)
Identifica los siguientes símbolos:
e, ce, m, ci
Ci= células infectadas
E=Endodermis
M= meristema nodular
Ce=córtex externo
Nódulo indeterminado: Zona I, Zona
II, Zona III, Zona IV
Zona I: Zona diferenciada
Zona II:Zona infectada
Zona III:Zona infectada senescente
Zona IV:Zona basal de unión a la raíz
El nódulo indeterminado se da en las
leguminosas de climas tropicales,
formando una construcción más
diferenciada que en el caso de las
demás leguminosas
B-10. En el esquema siguiente se
pueden observar una serie de
diferencias entre los nódulos
determinados e indeterminados.
Enumera las características
morfológicas y bioquímicas que
diferencian estos dos tipos de
nódulos.
características morfológicas
Det: Cortex externo se divide en
el inicio.Sistema Vascular
cerrado.Células vasculares de
transferencia inexistentes.Células
infectadas no vacuoladas.
Indet: Córtex interno se
divide.Sistema Vascular
abierto.Células vasculares de
transferencia presentes.Células
infectadas vacuoladas.
características bioquímicas
Det: Primeras moléculas N2 para
crecimiento nodular.Producto
exportado=Ureidos.
Indet: Exportación de N2
inicial.Producto exportado=Amidas.
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B-11. ¿Por qué hablamos del complejo
nitrogenasa y no del enzima nitrogenasa?
Esquematiza la cadena redox interna.
La nitrogenasa contiene dos subunidades (la
Fe y la MoFe proteína) que generan la
necesidad de llamarlo complejo.
N2+8e-
+8H
++16MgATP2NH3+H2+16MgADP+16
Pi
Características y función de la Dinitrogenasa
Reductasa
También conocida como Fe-proteína, se trata
de una proteína menor que la otra,
homodimérica, contiene un grupo Fe-S que da
la conversión de N2 a NH3.
NO2-+6Fdred+8H++6e
-NH4
++6Fdox+2H2O
Puesta en contacto con oxígeno se inactivará
de forma irreversible.
Características y función de la Dinitrogenasa
La otra proteína (MoFe), heterotetramérica, y de
mayor tamaño que la otra, tiene dos grupos MoFeS
y también se inactiva con oxígeno.
B-12. ¿Por qué la producción de hidrógeno
supone una merma en la eficiencia energética
del proceso de fijación del nitrógeno? ¿Qué
función desempeña la hidrogenasa?
Causas de que la producción del H2 haga
disminuir la eficiencia de la fijación del N2.
El hidrógeno, al tratarse de una molécula de
dos átomos iguales, es reconocido por la
nitrogenasa y dividido en protones. Esta
reacción está favorecida frente a la rotura de
nitrógeno, de más necesidad energética.
Cuanto más hidrógeno haya en el medio,
menos eficiente será la nitrogenasa en la
fijación de nitrógeno, ya que la energía se
malgasta en una reacción inútil para la célula
y deja de dar la reacción que realmente
debería dar.
Funciones de la hidrogenasa
La hidrogenasa (propia sólo de pocas especies de
bacterias simbiontes) captura el hidrógeno y crea
agua tomando a su vez un átomo de oxígeno. Por
ello aumenta la eficiencia debido a que, por un
lado, se elimina el H2 y por otro el O2 que inhiben
separadamente la nitrogenasa. Por otro lado, la
creación colateral de protones puede ayudar a la
síntesis de ATP
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B-13. ¿Cuál es la fuente de carbono que
utilizan los bacteroides? ¿Cómo se sintetiza?
¿Dónde y cómo se asimila en NH4+ producto
de la fijación del N2? White J. et al. 2007. Nutrient sharing between
symbionts. Plant Physiology 144:604-614
Los bacteroides reciben la sacarosa de la
planta desde el floema, llega a las células
circundantes del nódulo no infectadas por vía
simplástica. Aquí se divide en glucosa y fructosa
para generar malato. Se envía a las células
infectadas por vías de apoplasto y simplasto.
El NH4+ se sintetiza en el bacterioide y pasa
directamente a la célula infectada, donde se
acumulará en la vacuola y será extraída para pasar
del glutamato a la glutamina del ciclo de
glutamato. Se transportarán en forma de
aminoácidos (según la planta)
B-14. Si se aislan simbiosomas intactos de los
nódulos y se incuban en condiciones
microaeróbicas ¿podrán fijar N2 con glucosa
como fuente de energía?
La fuente de energía de los simbiosomas sólo
pueden ser los ácidos orgánicos (malato o
succinato), el bacteroide no puede procesar la
glucosa para generar estos productos.
B-15. ¿Qué aplicaciones biotecnológicas
pueden incrementar la fijación biológica del
nitrógeno en leguminosas? (Zahran 2001, Journal of Biotechnology 143-153) (Sprent, 2009. Nodulation in legumes)
La manipulación genética de cepas fijadoras
de nitrógeno puede facilitar una fijación de
nitrógeno aun encontrándose en situación de
estrés.
Además, utilizar la biofertilización para la fijación
de nitrógeno en leguminosas con cepas de rizobios
evitará la sobrefertilización.
B-16. ¿Qué condiciones ambientales
favorecen o dificultan la fijación biológica del
nitrógeno? Zahran H.H. 1999. Rhizobium-legume symbiosis and
nitrogen fixation under severe conditions and in an arid
climate. Microbiology and Molecular Biology Reviews
63(4): 968-989.
Favorecen
El estado limitante de nitrógeno favorece la
fijación biológica de nitrógeno, ya que facilita
la simbiosis, que le da al bacteroide una fuente
extra de energía para darle energía a la
nitrogenasa para llevar a cabo dicha fijación.
Dificultan
En caso de haber un mínimo de Nitrógeno en el
suelo algo superior, la planta puede captar el
nitrógeno por sí sola y se ahorrará el gasto en
productos procesados (azúcares) usando los
nitratos directamente del medio.
Una mala impermeabilización del nódulo puede
permir el paso de O2 e impedir la fijación.También
fallos en nutrición, el pH del medio o estrés de otra
índole puede inhibir la fijación biológica
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