Download fijacion nitrogeno - microbioblogueando

UNIVERSIDAD NACIONAL DE RIO NEGRO
Trabajo Practico de :
Fijación biológica
del nitrógeno
Carrera: Ing. Agronómica
Materia: Microbiología
Fecha: 21/10/13
Profesor: Abate Sergio
Alumnos: Torralba Daniela
1
Índice
Introducción…………………………………………………………………..3
Fijación Biológica del Nitrógeno (FBN)….………………………………….4
Fijación Simbiótica de Nitrógeno…………………………………………….5
Nódulos………………………………………………………………………7
Fijación en no leguminosas…………………………………………………...8
Conclusion……………………………………………………………………11
Bibliografia…………………………………………………………………...12
2
La reducción de nitrógeno molecular, llamado fijación biológica de nitrógeno es un proceso
enzimático que se lleva a cabo con la participación de la enzima nitrogenasa y junto con la
fotosíntesis y la respiración.
3
Fijación biológica de nitrógeno (FBN) (1)
El ciclo del nitrógeno comprende diversas formas de nitrógeno en el suelo, los organismos
y la atmosfera constituyen el ciclo global.
La conversión de N2 (gas) a formas combinadas se produce a través de la fijación
biológica, mientras que las formas orgánicas son convertidas a NH4+ o NO3- por el
proceso mineralización y el nitrato puede volver a la atmosfera por desnitrificacion.
La reducción de nitrógeno a amonio llevada a cabo por bacterias de vida libre o en
simbiosis con algunas especies vegetales (leguminosas y algunas leñosas no leguminosas),
se conoce como fijación biológica de nitrógeno (FBN). Los organismos capaces de fijar
nitrógeno se conocen como diazótrofos.
Esta propiedad está restringida sólo a procariotas y se encuentra muy repartida entre los
diferentes grupos de bacterias y algunas arqueobacterias. Es un proceso que consume
mucha energía que ocurre con la mediación de la enzima nitrogenasa según la siguiente
ecuación:
N2 + 16 ATP+ 8e + 8H = 2NH3 + H2+ 16 ADP +16Pi
En esta reacción hay un elevado consume de energía, ya que se necesita 16 ATP para
reducir 1 mol de nitrogeno.los requisitos para llevar a cabo son:

Un medio reductor con bajo potencial redox

Presencia de ATP

Baja presión parcial de O2 en e sitio que actúa la nitrogenasa
El amonio, primer compuesto estable del proceso, es asimilado por los fijadores libres o
transferido al correspondiente hospedador en el caso de la asociación con plantas. Aunque
el amoníaco (NH3) es el producto directo de esta reacción, se ioniza rápidamente
a amonio (NH4). En diazótrofos de vida libre, el amonio de la nitrogenasa es asimilada
en glutamato a través del ciclo de síntesis glutamina sintetasa/glutamato.
La nitrogenasa, formada por dos metaloproteínas, ferroproteína y molibdoferroproteína,
está bastante bien conservada en todos los microorganismos fijadores. Presenta un rango de
actividad extendido frente a otras moléculas que contienen triples enlaces lo que ha dado
base a un práctico método de detección y medida de la capacidad fijadora, y a pensar en el
posible papel detoxificador de esta enzima en el ambiente primigenio de la tierra.
En muchas bacterias, la nitrogenasa es muy susceptible a la destrucción por oxígeno
(muchas bacterias dejan de producir fijar nitrógeno en presencia de oxígeno). Tensiones
bajas de oxígeno son aprovechadas por diferentes bacterias que viven en anaerobiosis,
respirando niveles bajos de oxígeno, u obteniendo el oxígeno con una proteína
(e.g. leghemoglobina).
4
La fijación de nitrógeno presenta un gran interés económico y ecológico. De hecho, y como
ejemplo, las altas producciones de soja a nivel mundial son debidas a este proceso a través
de la aplicación de inoculante microbianos de calidad. Se da en todos los hábitats y
equilibra el ciclo biogeoquímico del nitrógeno al recuperar para la biosfera el que se pierde
por desnitrificación. La implicación en la fijación simbiótica de plantas tan importantes en
alimentación humana y animal como las leguminosas, y la posibilidad de extender esta
propiedad a otras especies vegetales de interés agrícola, con la consiguiente eliminación de
la necesidad de usar fertilizantes nitrogenados, ha hecho de la FBN un tema de intensa
investigación a lo largo de los años.
Fijación simbiótica de nitrógeno en las leguminosas
Las más conocidas son las plantas de la familia de las leguminosas (Fabaceae) como
los tréboles, alfalfa, soja, alubias o porotos, guisantes), que poseen en sus raíces nódulos
con bacterias simbióticas conocidas como rizobios, que producen compuestos nitrogenados
que ayudan a la planta a crecer y competir con otras plantas. Cuando la planta muere, el
nitrógeno ayuda a fertilizar el suelo.1 Se cree también que durante la vida de la planta también se
enriquece el suelo a través de los exudados de las raíces, ricos en nitrógeno.
La inmensa mayoría de las leguminosas tienen esa asociación, pero algunos géneros
como Styphnolobium no. La asociación leguminosa-bacteria suele ser muy específica,
aunque algunas especies bacterianas son capaces de formar simbiosis con varias
leguminosas:
5
Leguminosa
Bacteria
Soja
Bradyrhizobium japonicum y Sinorhizobium fredii
Guisante
Rhizobium leguminosarum bv. viciae
Alubia
Rhizobium leguminosarum bv. phaseoli, R. etli y R. tropici
Trébol
Rhizobium leguminosarum bv. trifolii
Alfalfa
Sinorhizobium meliloti
Medicago truncatula
Sinorhizobium meliloti
Las rizobiaceas son un grupo muy heterogéneo de bacterias que se han dividido en
cuatro
familias:
Rhizobiaceae,
Phyllobacteriaceae,
Hyphomicrobiaceae
y
Bradyrhizobiaceae (Madigan M.T. y col. 2000). Dentro de estas familias sólo unos
determinados géneros son capaces de efectuar el proceso de fijación de
nitrógeno: Rhizobium, Sinorhizobium, Meshorizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium y Al
lorhizobium. Con el fin de simplificar la lectura nos referiremos a todos estos géneros
como Rhizobium.
A diferencia de las cianobacterias y las bacterias pertenecientes al género Frankia, las
rizobiáceas no pueden generar un ambiente anaerobio o microaerobio en donde poder
realizar la fijación de nitrógeno por si mismas. Para llevar a cabo el proceso estas bacterias
han de encontrarse en las inmediaciones de plantas de la familia de las fabáceas e
interactuar con las mismas, originando una serie de reacciones en la planta que
desencadenarán la formación de un órgano mixto nuevo, el nódulo simbiótico, en el cual se
proporciona un entorno controlado, así como los nutrientes necesarios para que la bacteria
pueda efectuar el proceso de fijación.
Antes de llegar a la consecución del nódulo, tanto la planta como la bacteria han de
seguir un protocolo, de tal manera que, si cualquiera de ellos incumple alguna de las
condiciones establecidas, la formación del nódulo abortará. Dicho protocolo se puede
resumir en:
6
Intercambio de señales de naturaleza química entre la planta y el microorganismo.
Activación del ciclo celular en células del córtex e iniciación del nuevo órgano en
la planta.
3)
Infección por parte de la bacteria, formación del canal de infección e invasión de
los tejidos recién formados.
4) Diferenciación de la bacteria a forma especializada.
1)
2)
INICIACIÓN DEL NÓDULO
(2)
Señalización entre la planta y Rhizobium
Se puede definir como rizosfera a la porción de suelo íntimamente asociada a las raíces
de plantas en crecimiento con propiedades físicas, químicas y biológicas diferentes a las del
resto del suelo y con una estructura extraordinariamente compleja en la que inciden gran
número de variables y en la que se establecen multitud de relaciones biológicas. De hecho,
las características físico–químicas de dicha región hacen de ella un lugar muy adecuado
para el crecimiento de microorganismos (Bazin M.J. y col., 1990), de los cuales los más
abundantes son las bacterias, en gran parte propiciado por la presencia de los exudados de
la planta ricos, entre otros, en compuestos carbonados. Entre el 10% y el 30% de los
fotosintatos de la planta son secretados en los exudados radiculares (Bowen G.D. y Rovira
A.D., 1999) abarcando carbohidratos, ácidos orgánicos, vitaminas, aminoácidos y
derivados fenólicos. Entre dichos compuestos se encuentran los flavonoides (derivados del
2–fenil–1,4–benzopirona) cuya composición va a variar dependiendo de la especie, y que
además de ser metabolizados, desencadenan una serie de respuestas específicas en los
rizobios circundantes apropiados. Así, algunos de estos flavonoides a concentraciones
nanomolar, provocan la quimiotaxis activa de los rizobios hacia la superficie radical
(Sánchez F. y col., 1991). En cambio, estos mismos flavonoides a concentración
micromolar, activan en Rhizobium a los genes responsables de la nodulación (genes nod).
DESARROLLO DEL NÓDULO
Dependiendo del sistema simbiótico podemos encontrar dos tipos de nódulos:
determinados o indeterminados. Ello va a venir dado por el lugar en donde se induzcan las
divisiones mitóticas en la raíz. Así, si se originan en el córtex interno se originan nódulos
7
indeterminados y si lo hacen en el córtex externo nódulos determinados. Ambos tipos de
nódulos, además de presentar una estructura anatómica distinta, también difieren en la
forma en que se comporta la bacteria dentro del nódulo en formación. A pesar de ello, la
inducción del ciclo celular en ambos sistemas sigue la misma regulación.
Fijación de nitrógeno en no-leguminosa (2)
Hay pocas plantas no leguminosas que puedan fijar nitrógeno. Son 22 géneros de arbustos
leñosos o árboles de 8 familias. Estas plantas forman asociaciones con bacterias del
género Frankia, y se denominan plantas actinoricicas. La habilidad de fijar nitrógeno no
está universalmente presente en esas familias; así, de los 122 géneros de Rosaceae, solo 4
géneros fijan nitrógeno.
Géneros
Familias
Betulaceae
Alnus
Casuarinaceae Allocasuarina, Casuarina, Gymnostoma
Coriariaceae
Coriaria
Datiscaceae
Datisca
8
Elaeagnaceae Elaeagnus, Hippophae, Shepherdia
Myricaceae
Morella, Myrica, Comptonia
Rhamnaceae
Ceanothus, Colletia, Discaria, Kentrothamnus, Retanilla,Trevoa
Rosaceae
Cercocarpus, Chamaebatia, Prusia, Dryas
También hay algunas asociaciones simbióticas fijadoras de nitrógeno
con cianobacterias (Nostoc).




Algunos líquenes como Lobaria y Peltigera
Azolla (helecho mosquito)
Cycas
Gunnera
También existe asociación entre bacterias fijadoras y plantas del tipo gramíneas. En estos
casos la bacteria (algunas cepas del genero Azospirillum) invade los espacios entre células
de la raíz pero sin penetrar en las células vegetales. Algunos cultivos que se pueden
beneficiar de este tipo de asociaciones son:





Caña de azúcar
Sorgo
Arroz
Trigo
Maíz
A:sin inocular azospillum; B:inoculado
9
Los microorganismos fijadores de nitrógeno no constituyen un grupo taxonómico
homogéneo, la única característica que comparten es la presencia de la enzima nitrogenasa
(Zehr J.P. y col., 1998). Dichas bacterias comprenden organismos fototrofos, como
bacterias pertenecientes a la familia Rhodospirillaceae, Clorobiaceae y Cianobacteriae;
organismos quimioautotrofos, como bacterias de los géneros Thiobacillus,
Xanthobactery Desulfovibrio y organismos heterotrofos como las bacterias petenecientes a
la
familia
Frankiaceae,
al
grupo
Rhizobiaceae
y
a
los
géneros Azotobacter, Enterobacter, Klebsiella y Clostridium (Sprent J. y Sprent P., 1990).
Estos organismos pueden realizar la fijación biológica de nitrógeno ya sea
independientemente (a excepción de las rizobiáceas) o estableciendo relaciones simbióticas
con otros organismos. Son estas formas simbióticas, concretamente las establecidas entre
las rizobiáceas y las leguminosas, las que antiguamente eran aprovechadas para la
renovación de los suelos mediante la práctica de la rotación de cultivos; hoy en día sin
embargo, desde la aparición de la “revolución verde” en agricultura, esta práctica se ha
sustituido por la utilización de fertilizantes químicos a pesar del elevado coste energético y
ambiental que supone. Para poder disminuir la dependencia a fertilizantes nitrogenados que
está adquiriendo la agricultura mundial se han propuesto varias alternativas que abarcan
desde la modificación genética de las plantas a la optimización y mejora de la fijación
biológica de nitrógeno (Vance C.P., 2001).
Una de las incógnitas es la influencia de algunos nutrientes especialmente requeridos por
el sistema en el establecimiento y desarrollo de la simbiosis, así como en la organogénesis
del nódulo. Concretamente se ha observado que la deficiencia de un micronutriente, el boro
(B), afecta drásticamente a la nodulación llegando al punto de abortarla (Bolaños L. y col.,
1994), aunque no se ha probado la causa última de tan drástico efecto. También se ha
sugerido la existencia de una relación entre este micronutriente y un macronutriente como
el calcio (Ca2+). En este sentido se ha observado que la relación B–Ca2+ es importante para
el mantenimiento estructural de la pared celular (Kobayashi M. y col., 1999), y que juega
un papel en el proceso de simbiosis en leguminosas (Carpena R.O. y col., 2000).
10
Conclusión
El nitrógeno es la unidad clave de la molécula de proteína sobre la cual se basa la vida,
siendo así un componente esencial del protoplasma de plantas, animales y
microorganismos. Es un importante constituyente de la atmosfera, presentando una gran
dinámica de transformaciones en su complejo ciclo biogeoquimico.
11
Bibliografía:
 1 .Principios de edafología. Ing Agro. Marta Conti.
 2.www.uam.es/ciencias/botarios/investigación/fijación N
 Exa.unne.edu.ar/biología/fisiologia vegetal/
12