FIJACIÓN SIMBIÓTICA Y ASIMBIÓTICA DE NITROGENO ¿QUÉ ES LA FIJACIÓN SIMBIÓTICA Y ASIMBIÓTICA DE NITRÓGENO? Dos fenómenos biológicos fundamentales aseguran la disponibilidad del carbono y del nitrógeno en los organismos vivos a partir del gas carbónico y del nitrógeno molecular del aire: la fotosíntesis y la fijación biológica de nitrógeno. La fijación biológica del nitrógeno atmosférico, consiste en la reducción de N 2 a NH4+ por la enzima nitrogenasa presente en los procariontes fijadores de nitrógeno. La nitrogenasa está compuesta por dos proteínas solubles: la proteína del hierro (dinitrogenasa reductasa) y la proteína del MoFe (dinitrogenasa). El MoFe es un cofactor esencial en la dinitrogenasa. Las dos enzimas del complejo funcionan conjuntamente: la dinitrogenasa reductasa reduce la dinitrogenasa, mientras que esta última reduce el nitrógeno. Ambas enzimas son necesarias para que se produzca la fijación. La ecuación general para la fijación catalizada por la nitrogenasa es: +
+2
N2 + 16ATP + 8e- + 8H + Mg 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi + Mg
+2
El complejo enzimático además puede reducir otros sustratos como el acetileno, propiedad que ha permitido e desarrollo de una técnica para estimar la actividad nitrogenasa por cromatografía de gases y que se conoce como reducción del acetileno (ARA) Dichas bacterias comprenden organismos fototrofos, como bacterias pertenecientes a la familia Rhodospirillaceae, Clorobiaceae y Cianobacteriae; organismos quimioautotrofos, como bacterias de los géneros Thiobacillus, Xanthobacter y Desulfovibrio y organismos heterotrofos como las bacterias petenecientes a la familia Frankiaceae, al grupo Rhizobiaceae y a los géneros Azotobacter , Enterobacter , Klebsiella y Clostridium. Estos organismos pueden realizar la fijación biológica de nitrógeno ya sea independientemente (a excepción de las rizobiáceas) o estableciendo relaciones simbióticas con otros organismos.
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Algunas formas de algas verdeazuladas, como el alga Anabaena, que vive en asociación con un helecho acuático ( Azolla pinnata ), también fijan nitrógeno. Esta simbiosis produce un notable aumento en la producción de arroz, como ocurre en los arrozales de la región Thai Binh del norte de Vietnam. El sistema rizobiáceas –leguminosas es el que ha sido estudiado ampliamente y en mayor profundidad. Se ha observado que la relación Boro –Ca2+ juega un papel importante en el proceso de simbiosis en leguminosas, para la formación de nódulos.
FIJACIÓN SIMBIÓTICA Las formas asimilables de N para las plantas son la nítrica y la amoniacal, la mayor reserva se encuentra en la atmósfera donde representa casi el 80% del volumen total. Los microorganismos simbióticos contribuyen con la mayor proporción de fijación biológica de N y aportan a la planta hasta el 90% del nitrógeno que requiere
Cianobacterias-Hongos (Líquenes), Briofitas, Helechos, Angiospermas, Gimnosperma Las cianobacterias se asocian simbióticamente con representantes de las cuatro principales divisiones filogenéticas de las plantas terrestres: briofitas (musgos, hepáticas y antocerotas), helechos, gimnospermas y angiospermas; además, se asocian con hongos para formar los líquenes y con organismos marinos. Durante la simbiosis de las cianobacterias con otros organismos, ocurren cambios estructurales y fisiológicos que conducen al intercambio apropiado de compuestos entre el cianobionte y el hospedero
Líquenes Los líquenes son asociaciones simbióticas entre un hongo (micobionte) y una cianobacteria (fotobionte o cianobionte). La cianobacteria más frecuente en los líquenes es Nostoc . Los líquenes viven en varias superficies: suelos, árboles, rocas y paredes, a menudo son los primeros en establecerse en el ambiente, constituyendo la única vegetación en ambientes extremos. Su aspecto es variable: de hojas de costra o de arbusto. En la asociación, la cianobacteria debe ser capaz de llenar los requerimientos bioquímicos y de desarrollo del hongo.
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Cianobacterias-Briofitas (musgos, hepáticas y antocerotas) Los musgos (e.j., Sphagnum spp.), hepáticas (e.j: Marchantia spp.) y antocerotas (e.j Anthoceros spp., Notothylas spp. y Phaeoceros spp.) forman asociaciones simbióticas con especies de cianobacterias, siendo las especies de Nostoc las más frecuentemente encontradas Las colonias de la cianobacteria se alojan en cavidades especiales (domatias) localizadas en la parte ventral del gametofito donde ocurre el intercambio de compuestos nitrogenados y carbohidratos Los heterocistos proporcionan los productos nitrogenados a las células vegetativas de la planta, y en turno reciben los productos fotosintéticos.
Cianobacterias-helechos (Azolla ) Azolla es un helecho acuático que forma una simbiosis permanente y hereditaria con la cianobacteria Anabaena azollae , cuya relación mutualística es la única
conocida en la naturaleza entre una pteridofita y una procariotica diazotrófica
Cianobacterias-Angiospermas Todas las especies de Gunnera forman asociaciones simbióticas con Nostoc (particularmente con N. punctiforme ), siendo la única angiosperma conocida por formar este tipo de asociación. Las cianobacterias se localizan intracelularmente en las glándulas ubicadas en la base del pecíolo donde ocurre el intercambio de compuestos: nitrogenados desde el alga y fotosintéticos desde la planta
Cianobaterias- Gymnospermas (Cícadas) El grupo de las cícadas (e.j. Cycas , Zamia , Bowenia ) forma asociaciones simbióticas con cianobacterias (siendo las más comunes Nostoc spp, Spirulina sp. Oscillatoria sp., Anabaena spp., Rivularia sp. y Calothrix sp.) proporcionando un ambiente estable al alga a cambio del nitrógeno fijado; en esta alianza las cianobacterias son endosimbiontes de algunas raíces (raíces coraloides o parecidas a corales), las cuales se caracterizan por tener un crecimiento apogeotrópico o hacia la superficie del suelo.
Frankia-Angiospermas Este actinomicete forma nódulos (actinorizas) o raíces laterales modificadas con lóbulos hasta de 5 cm de longitud y fija nitrógeno en ocho familias de dicotiledóneas: Betulaceae, Casuarinaceae, Coriariaceae, Datiscaceae, 3
Elaeagnaceae, Myricaceae, Rhamnaceae y Rosaceae. Como consecuencia, estas plantas son capaces de crecer en suelos pobres e intervenidos siendo así útiles en la recuperación de suelos y reforestación.
Asociación de Azospirillum con raíces de plantas. Se trata de una asociación que no se puede considerar exactamente como simbiosis. Azospirillum es una bacteria fijadora de nitrógeno que prolifera en y sobre raíces
de maíz, trigo, cebada, avena y otros cereales y plantas forrajeras constituyendo una rizocenosis no nodulante que lleva a un aumento del número de espigas y de biomasa vegetal. La cantidad de nitrógeno aportado directamente del microbio a la planta es pequeña debido a que el microbio exporta a la planta una parte mínima del nitrógeno fijado, por lo que el cultivo se beneficia indirectamente a través del suelo adonde va a parar el resto del nitrógeno.
Fijación de nitrógeno en termitas. Las termitas representan el máximo exponente en simbiosis fijadoras de nitrógeno en las que participan animales. La actividad microbiana presente en el aparato digestivo de las termitas, es realizada por dos importantes grupos microbianos: uno que descompone la celulosa en azúcar, glucosa, y otro que a su vez utiliza esa glucosa como fuente de energía para fijar nitrógeno del aire. Esta complementación es suficiente para que las termitas puedan nutrirse exclusivamente de compuestos celulósicos de la madera, causa de graves problemas en construcciones donde predomina dicho material. Se trata de un ejemplo de cómo tres organismos diferentes pueden beneficiarse mutuamente: el microbio fijador de nitrógeno utiliza la glucosa que le proporciona el celulolítico; éste recibe la celulosa triturada y aminoácidos que la termita y el fijador de nitrógeno respectivamente le dan; por último, la termita tiene a su disposición una abundante fuente de alimentos celulósicos que ningún otro animal puede consumir de forma exclusiva.
Asociación rizobacterias-leguminosas Las rizobiaceas son un grupo muy heterogéneo de bacterias que se han dividido en cuatro familias: Rhizobiaceae, Phyllobacteriaceae, Hyphomicrobiaceae y Bradyrhizobiaceae, de los cuales sólo unos determinados géneros son capaces de 4
efectuar el proceso de fijación de nitrógeno: Rhizobium , Sinorhizobium , Meshorizobium , Bradyrhizobium , Azorhizobium y Allorhizobium . 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 leguminosas subfamilia Papilionoideae (Trifolium , Melilotus, Medicago, Pisum, Crotalaria ) 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. Entre las leguminosas tropicales existen una gran cantidad que presentan una alta fijación de N: Phaseolus, Glycine, Leucaena, Stylosanthes , existe variación, se ha reportado que el Kudzu tropical a fijado hasta 1000 kg/ha por año. Existen además otras plantas no leguminosas que fijan el N atmosférico, de las familias Coriariacea, Rhamnaceae, Myricaceae, Eleagnaceae, Casuarinaceae. Algunas de estas especies desarrollan una simbiosis con hongos como Actinomices algni y Actinomices elegni, en sus raíces. Muchas de éstas plantas tienen la característica de fijar el N a través de una simbiosis localizada en las hojas, Para la elaboración del nódulo se requiere: 1)
Intercambio de señales de naturaleza química entre la planta y el microorganismo.
2)
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
INICIACIÓN DEL NÓDULO Señalización entre la planta y Rhizobium
La rizosfera es 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, las características físico –químicas de dicha región hacen de ella 5
un lugar muy adecuado para el crecimiento de microorganismos, 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, abarcando carbohidratos, ácidos orgánicos, vitaminas, aminoácidos y derivados fenólicos entre los que 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 En cambio, estos mismos flavonoides a concentración micromolar, activan en Rhizobium a los genes responsables de la nodulación (genes nod) y se expresan constitutivamente un grupo de factores de transcripción conocidos como NodD cuyo número y regulación va a depender de la especie de Rhizobium.
Formula molecular del 2-fenil-1,4-benzopirona. Los radicales R indican los posibles sitios de modificación.
La mera presencia de los factores Nod en concentraciones del orden 10 –12 M es suficiente para que en la planta se produzca la deformación de los pelos radiculares pero se necesitan niveles mayores, del orden de 10 –7 a 10 –9 M para provocar la formación de los pre –canales de infección, la división de las células corticales y la inducción de genes implicados en las fases previas a la nodulación, las nodulinas tempranas Esta elevada sensibilidad a los factores Nod hace suponer que debe existir un mecanismo mediado por receptores Uno de los primeros efectos que se observa tras la percepción del factor Nod en el pelo radicular es la entrada de Ca 2+ al citoplasma, lo que conduce a la activación de ciertos canales aniónicos que originan la expulsión de Cl – y por tanto la despolarización de la membrana del pelo. Esta entrada de Ca 2+, además de servir como mensajero para la inducción de genes y activación de proteínas implicadas en la nodulación, induce una reorganización del citoesqueleto, que contribuye a la deformación del pelo radicular hasta llegar a una forma característica del fenómeno de la nodulación, el “cayado del pastor” (Shepherd’s crook en inglés). Esta estructura generará una pequeña cavidad en donde la bacteria puede crecer y prosperar. 6
Invasión y formación del canal de infección
La unión de las bacterias a la superficie de la raíz es un paso preliminar muy importante que precede a la invasión. Fibrillas de celulosa producida por la bacteria pueden ayudar a enredar al rizobio en la superficie mucilaginosa de la raíz, proceso reforzado por la presencia de proteínas dependientes de Ca 2+, ricadhesinas, producidas por la bacteria, el exopolisacárido podría enmascarar la superficie bacteriana para evitar el desencadenamiento de una respuesta de defensa por parte de la planta, encapsular a la bacteria contra el estrés fisiológico que existe en el canal de infección e identificar a la bacteria ante el receptor de la planta adecuado, esta matriz extracelular puede formar una estructura gelatinosa en presencia de iones de calcio, lo que podría servir para retirar los iones de Ca 2+ presentes en el entorno de la pared vegetal, que normalmente son utilizados para estabilizar y organizar a las pectinas recién sintetizadas y, por tanto, debilita esa zona de la pared habilitando así un lugar propicio para la infección. Además, la presencia de un gel de naturaleza tan rígida puede servir a la bacteria como punto de apoyo para entrar en el pelo aprovechando la presión que ejercen las sucesivas divisiones de la bacteria. De este modo se origina una invaginación de la membrana del pelo por la cual las bacterias infectan a la planta. Modelo esquemático mostrando la colonización y la deformación del pelo radicular y formación de canal de infección por Rhizobium.
La formación del dicho “camino” de infección está dirigida por la planta merced a la
deformación del citoesqueleto que induce una invaginación en la vacuola generando los llamados puentes citoplasmáticos cuya orientación comunica unas células con otras y por los cuales irá creciendo la bacteria. A lo largo de toda la luz del canal existe una matriz glucoproteica cuyos componentes proceden tanto de la planta como de la bacteria, por parte de Rhizobium nos encontramos, entre otros, glúcidos cíclicos, lipopolisacárido (LPS), fundamental para una correcta infección, succinoglucano y EPS, siendo éste último crucial para la iniciación y posterior elongación del canal de infección. La planta por su parte, entre los distintos 7
compuestos que liberan las vesículas al canal de infección, aporta arabinogalactanos.
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 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. El ciclo celular en las plantas
1)
Fase G1: periodo en el que las células llevan a cabo principalmente las tareas de supervivencia cotidiana. Es en esta fase del ciclo cuando las células pueden diferenciarse, entrando entonces en quiescencia o en la fase G0.
2)
Fase S: espacio temporal durante el que se produce la replicación de la dotación génica.
3)
Fase G2: periodo previo a la mitosis y citocinesis en el que la célula además de prepararse para la división pasa por una serie de controles para verificar la fiabilidad de la replicación cromosómica.
4)
Fase M: breve etapa del ciclo celular en la que se produce el reparto de la dotación cromosómica y la división celular. En determinadas ocasiones una célula puede saltarse esta fase originando un aumento en la ploidía celular, encontrándonos entonces un fenómeno de endorreduplicación
La morfogénesis en las plantas depende de la división celular y expansión celular. El tallo primario y los meristemos apicales de la raíz se forman inicialmente como parte del embrión en desarrollo y generan las células que se dividirán para formar el tallo y la raíz. Pero a lo largo de la vida de las plantas se generan estructuras nuevas como por ejemplo las raíces laterales a partir de células del periciclo, o la formación de nódulos a partir de células del córtex en leguminosas o de células del periciclo en actinorrizas, para la formación de nuevas estructuras se requieren la inducción de nuevos meristemos, lo que implica que células ya diferenciadas, normalmente en la fase quiescente o G 0, vuelvan a reentrar en el ciclo celular, fenómeno que salvo en contadas ocasiones no se produce en animales.
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Generalmente, la regulación del ciclo celular depende de la presencia de dos familias de proteínas, las ciclinas (Cyc) y las quinasas dependientes de ciclinas o CDKs. Proteínas de ambas familias van a aparecer o desaparecer dependiendo de la fase del ciclo en el que se encuentre la célula y regulando la transición a la fase siguiente. Esquema de las fases iniciales de la formación del nódulo. (A): inducción del ciclo celular en células del córtex (flecha); (B): progresión y ramificación del canal de infección en las células recién formadas.
Desarrollo del nódulo indeterminado
Los nódulos indeterminados se dan en plantas como las del género Medicago , Pisum , Trifolium y Vicia . En este tipo de nódulos son las células del córtex interior las que se reintroducen en el ciclo celular, además, tienen la característica de poseer un meristemo permanente, lo que les otorga una forma cilíndrica con simetría radial en la organización de los tejidos. Curiosamente el canal de infección nunca atraviesa células en división sino que progresa a través de los puentes citoplasmáticos de células que han quedado bloqueadas en la fase G 2 Este proceso de invasión y diferenciación define unas regiones dentro del nódulo indeterminado (Hirsch A.M., 1992) (Fig. 6):
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1)
Zona I o meristemática: en el ápice del nódulo, corresponde a la zona de células en proliferación.
2)
Zona II o de invasión: inmediatamente por debajo de la zona meristemática, es la región en la que se produce la invasión bacteriana a través de los canales de infección. Las células de esta región son más grandes y vacuoladas que las meristemáticas. Los rizobios en esta zona aún poseen una forma cilíndrica y pueden dividirse. Para diferenciarlos se los denomina bacteroides tipo 1.
3)
Zona de prefijación: en esta región las células vegetales, que aún no han finalizado su diferenciación, están repletas de bacteroides de tipo 2 más alargados que los de tipo 1.
4)
Interzona II y III: en esta franja, las células vegetales finalizan su proceso de diferenciación. Las células de esta región presentan numerosos amiloplastos así como tránscritos de leghemoglobina, proteína encargada de regular la presencia del oxígeno en el nódulo. Además nos encontramos bacteroides de tipo 3 los cuales presentan su tamaño final definitivo, así como una heterogeneidad citoplasmática característica.
5)
Zona III o de fijación: región totalmente diferenciada en la que se realiza la fijación de nitrógeno propiamente dicha. Se subdivide en dos regiones: la zona de fijación y la zona ineficiente. En la primera, las gotas de infección han culminado su proceso de diferenciación, resultando en la formación del simbiosoma, compuesto por la membrana vegetal original modificada en su composición y un bacteroide de tipo 4 con una estructura normalmente en forma de “Y” o de “T” y con una heterogeneidad citoplasmática notable,
indicativa de su maduración en forma fijadora de nitrógeno. Por otro lado, las células vegetales no presentan tantos amiloplastos, porque posiblemente hayan sido consumidos durante la actividad fijadora de N 2. La zona ineficiente está compuesta por células con bacteroides de tipo 5 que presentan un citoplasma homogéneo indicatorio del inicio de la senescencia. 6)
Zona IV o de senescencia: región en la base del nódulo, comprendida por celulas vegetales y bacterianas en degradación y que se incrementa con la edad del mismo.
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Modelo esquemático de la estructura del nódulo indeterminado y del desarrollo de los simbiosomas. e: epidermis; ce: córtex externo; m: meristemo; ci: córtex interno; V: tejido vascular. 1-2: formación de la gota de infección y gemación de las bacterias; 3: Proceso de siferenciación del simbiosoma, fusión de vesículas del aparato de golgi y crecimiento de la bacteria; 4: simbiosomas maduros
Desarrollo del nódulo determinado
Este tipo de nódulos es inducido en plantas como las del género Phaseolus , Glycine , Vigna y Lotus , entre otras. A diferencia que en los indeterminados, en esta clase de nódulos no hay un meristemo permanente. Así, su crecimiento se basa en la expansión en vez de en la división celular, razón por la que presentan una morfología esférica en vez de cilíndrica
DIFERENCIACIÓN DEL SIMBIOSOMA De forma paralela al desarrollo del nódulo, Rhizobium se distribuye por el mismo a través de los canales de infección, o a través de la división de células previamente infectadas, según se trate de un nódulo indeterminado o 11
determinado, a la par que va sufriendo una serie de modificaciones que culminan en la formación del simbiosoma, el cual presenta una serie de características que son indispensables para realizar la actividad fijadora de nitrógeno. En un simbiosoma se pueden distinguir los siguientes componentes: 1)
Membrana peribacteroidea (mpb) Esta envuelta es absolutamente necesaria para la actividad del simbiosoma (Regensburger B. y col., 1986), al servir de intermediario de señales y nutrientes entre la bacteria y la planta
2)
Fluido peribacteroideo (fpb) El fluido peribacteroideo (fpb), definido como el material soluble existente entre la mpb y el bacteroide, mantiene en contacto la superficie de ambos, estableciendo una zona que permite la interacción.
3)
Bacteroide: los rizobios al invadir las células del córtex pueden aumentar su tamaño de 4 a 7 veces o adquirir forma de Y.
Fisiologia del simbiosoma: intercambio de metabolitos entre planta y bacteria
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FUNCIONAMIENTO DE UN NÓDULO
Al nódulo llega el fotosintetizado, en forma de sacarosa, para soportar el proceso. Servirá de fuente de energía, poder reductor y esqueleto carbonado para la incorporación del amonio resultante de la fijación, que será transportado por el xilema al resto de la planta en forma de amidas o ureidos, según el hospedador sea de origen templado o tropical Aunque por mucho tiempo se ha creido que el amonio producido era transferido a la célula hospedadora por simple difusión pasiva, y así muestra esta figura, se ha descrito que tan pronto como el amonio aparece se convierte en alanina y de esta forma es transportado fuera de la bacteria. Una vez fuera este aminoácido es convertido rápidamente en glutamato para su transporte como amidas y/o ureidos al resto de la planta. La utilización del nitrógeno atmosférico en la simbiosis, requiere de la integración de las vías metabólicas de la fijación (bacteroides) y de la asimilación (planta hospedera) del nitrógeno. La bacteria emplea compuestos carbonados oxidables suplidos por la planta para su metabolismo y desarrollo y para la síntesis de ATP y del poder reductor usados en la reacción de fijación catalizada por la nitrogenasa, la cual genera el nitrógeno asimilable (NH4+), que es metabolizado en las células nodulares a amidas o ureidos, que luego son exportados vía xilema al resto de la planta, donde son usados. 13
El primer producto de la reacción de fijación es NH3 (amoníaco), pero este es rápidamente protonado, formándose NH4+, lo cual es favorecido por el pK (9,25) de la reacción, de tal manera que amonio es la especie predominante a los pHs fisiológicos y la que toma parte en las reacciones de asimilación
FIJACIÓN ASIMBIÓTICA Algunos otros microorganismos libres, asimbióticos, están capacitados para la fijación de N. son heterótrofos con respecto al carbono, necesitan para su desarrollo azucares, celulosa o almidón, que encuentran en el suelo, producido muchas veces por otros microorganismos. Los microorganismos que participan en la fijación asimbiótica de N se pueden clasificar como:
Bacterias heterotróficas: Achromobacter, Azotobacter, Aerobacter, Azotomonas, Beijerinckia, Clostridium, Pseudomonas . Bacterias quimioautotróficas: Methanobacillus omelianskii Algas
azules-verdes:
Anabaena, Cilindrospermuns, Nostoc, Tolypothrix
Bacterias
fotosintéticas:
Anabaenopsis,
Chlorobium, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum.
Chromatium,
Aulosira,
Colotrix,
Rhodomicrobium,
Cianobacterias Presentan una gran diversidad morfológica, desde unicelulares hastafotosistema II liberador de oxígeno y rodeados de una pared glicolipídica gruesa que reduce la difusión de éste hacia las células, cualquier oxígeno que difunde hacia los heterocistos es rápidamente reducido por hidrógeno; así, la fijación de nitrógeno está espacialmente y metabólicamente separada del proceso fotosintético; las algas unicelulares (e.j. Gloeocapsa ) y las filamentosas sin heterocistos (e.j. Trichodesmium )
Actinomicetes Los actinomicetes son bacterias filamentosas Gram positivas, comunes en el suelo, especialmente en suelos de elevado pH y poca humedad. Se les considera como organismos intermedios entre los hongos y las bacterias, formadores de micelios. Frankia es un género del grupo de los actinomicetes, cuya especie F. 14
alni , se ha reportado como fijadora de nitrógeno tanto en vida libre como en
asociación con algunas angiospermas (no leguminosas).
La fijación libre por sí sola representa a nivel global algo menos de la mitad del total de N2 fijado por año La capacidad de fijación de N 2 por las bacterias de vida libre varia considerablemente en dependencia de la composición del medio, del pH del suelo, la temperatura y la aireación, de la presencia de nitrógeno combinado, de la naturaleza de las fuentes de carbono, de los microelementos y de la acción de organismos antagónicos del medio. Distribución de algunos microorganismos asimbióticos fijadores de N según el hábitat:
Especie
Tropical Zona templada Ártica y Antártica
Azotobacter
X
X
Clostridium
X
X
X
Beijerinckia
X X
X
Algas azul-verdes X
Las asociaciones de bacterias asimbióticas de nitrógeno con las plantas han sido consideradas como una de las posibles alternativas para la fertilización de nitrógeno inorgánico favoreciendo el desarrollo, crecimiento y la producción de plantas. El organismo mejor caracterizado en condiciones aerobias es el Azotobacter. En condiciones anaerobias, el mejor caracterizado es el Clostridium . El Azotobacter es un organismo Gram ( –), heterótrofo y móvil del suelo, que crece mejor en suelos neutros a alcalinos y mesofílicos, no prolifera cuando el pH está por debajo de 6 y no está presente en suelos ácidos, no resultan habituales poblaciones demasiado extensas. En consecuencia, no aportan al suelo demasiado nitrógeno fijado. Las bacterias Beijerinckia y Derxia ocupan el lugar del Azotobacter en suelos ácidos y tropicales. Los fijadores de nitrógeno anaerobios incluyen organismos como el Clostridium pasteurianum , un heterótrofo con un rango de pH intermedio. 15
La cantidad de N fijada por los microorganismos no simbióticos no es tan alta como la fijada simbióticamente. Varía entre pocos kg/ha por año bajo condiciones de clima templado hasta 100 kg/ha por año en zonas tropicales. Se cree que la capacidad de fijación de algas verde-azules es mayor, éstas se encuentran en suelos arroceros inundados y tienen también gran importancia en suelos desérticos, ya que pueden sobrevivir a un desecamiento extremo y formar costras secas en prados y desiertos, los cuales inician el proceso de fijación del nitrógeno una vez que se humedecen.
Asociaciones no simbióticas Bacterias-Filósfera Varias bacterias fijadoras de nitrógeno pueden colonizar la filósfera, término usado por algunos investigadores para referirse a la superficie adaxial y abaxial de la hoja, y por otros a la hoja completa, incluyendo el ambiente interno. Se ha observado que las bacterias más abundantes en las hojas son las pigmentadas (e. j. Methylobacterium mesophilicum , Pseudomonas syringae ), a las cuales se les ha atribuido una mejor adaptación a los rayos solares Las especies de Beijerinckia y Azotobacter son comúnmente encontradas en cultivos; y se ha reportado su efecto benéfico en el crecimiento de las plantas.
Bacterias-Rizósfera Los exudados radicales, conformados por substancias diversas crean alrededor de las raíces (rizósfera) un ambiente nutricional enriquecido que favorece el crecimiento bacteriano. La relación que se establece entre las bacterias y las plantas puede ser favorable, perjudicial o neutra. Dentro de las relaciones favorables se encuentra la asociación con bacterias fijadoras de nitrógeno; entre estas, especies de Azospirillum , Enterobacter , Klebsiella , Pseudomonas y Burkholderia, pueden ser categorizadas dentro del grupo de las rizobacterias promotoras del crecimiento. BIBLIOGRAFÍA Baca E., Soto U., Pardo R., Fijación biológica de Nitrógeno. Revista elementos, ciencia y cultura, No. 38, pp 43-49, 2000, Ciudad Galvez: http://www.elementos.buap.mx/num38/pdf/43.pdf Brock. Biología de los microorganismos 10ª Edición. Madigan, Martinko, Parker. Ed. Pearson Prentice Hall, Madrid, España, 2004 El suelo. Mediterránea de Agroquímicos http://www.mediterraneadeagroquimicos.cat/Informa/suelo.htm 16
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