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? B-2. Describe tres asociaciones simbióticas de microorganismos fijadores de N2 con plantas superiores
B-3. Indicar las principales estrategias de las cianobacterias cianobacterias para evitar la presencia de O 2 cuando fija N 2
B-4. Indicar las principales estrategias de las leguminosas para evitar la presencia de O 2 cuando fijan N 2
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. 1 Las leguminosas se unen a los 2 Especies leñosas (alisos) se 3 Los géneros Gunnera y los rizobios. Dependiendo de las asocian con bacterias del género helechos Azolla se unen a las latitudes en las que se dan dichas Frankia. Estas uniones se conocen cianobacterias Nostoc y simbiosis, el nódulo que crean es como Actinorrizas. Annabaena. determinado (leguminosas de trópicos) o indeterminado (en el caso de guisantes o leguminosas de clima temperado). Cianobacterias Cianobacte rias SIN heterocistos Cianobacterias Cianobacte rias CON heterocistos Deben encontrarse en medios Se crea una célula dentro de la cianobacteria, con amplias paredes totalmente anaeróbicos como se celulares, en la que no se encuentra el fotosistema II, principal creador pueden dar en suelos inundados. de oxígeno. El oxígeno, por lo tanto, no puede entrar dentro de esta célula permitiendo así la actuación de la nitrogenasa
La regulación de permeabilidad de los gases de los nódulos evita el exceso de O 2 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 h airs responding to Nod factors. Plant Physiology 123:443-451).
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
Reconocimiento entre pl anta y bacterias por señales químicas (isoflavonoides y betaínas del vegetal, factores Nod de las bacterias) y se dan por condiciones limitantes de nitrógeno.
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.
rodeándolos. Formación de un canal de infección produciendo una fusión de los canales Golgi para permitir el paso de las bacterias sin penetrar en las
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.
propias células vegetales.
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):282285.
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
B-8. ¿En qué se diferencia un bacteroide de una bacteria?
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
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.
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.
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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.
Identifica los siguientes símbolos: e, ce, m, ci
Nódulo indeterminado: Zona I, Zona II, Zona III, Zona IV
Ci= células infectadas E=Endodermis M= meristema nodular Ce=córtex externo
Zona I: Zona diferenciada Zona II:Zona infectada Zona III:Zona infectada senescente Zona IV:Zona basal de unión a la raíz
(http//www.uam.es/personal_pdi/ciencia s/bolarios/Investigacion/fijacionN.htm)
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.
El nódulo indeterminado se da en las leguminosas de climas tropicales, formando una construcción más diferenciada que en el caso de las demás leguminosas características bioquímicas Det: Primeras moléculas N2 para crecimiento nodular.Producto exportado=Ureidos. Indet: Exportación de N2 inicial.Producto exportado=Amidas .
Indet: Córtex interno se divide.Sistema Vascular abierto.Células vasculares de transferencia presentes.Células infectadas vacuoladas.
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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 +16MgATP 2NH3+H2+16MgADP+16 Pi
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?
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.
Causas de que la producción del H 2 haga disminuir la eficiencia de la fijación del N 2.
Funciones de la hidrogenasa
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.
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 NH 4 producto de la fijación del N 2?
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)
White J. et al. 2007. Nutrient sharing between symbionts. Plant Physiology 144:604-614
B-14. Si se aislan simbiosomas intactos de los nódulos y se incuban en condiciones microaeróbicas ¿podrán fijar N 2 con glucosa como fuente de energía? 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)
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.
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. La manipulación genética de cepas fijadoras de nitrógeno puede facilitar una fijación de nitrógeno aun encontrándose en situación de estrés. 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.
Además, utilizar la biofertilización para la fijación de nitrógeno en leguminosas con cepas de rizobios evitará la sobrefertilización. 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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