Fijación del nitrógeno y familias Azotobacteraceae y Rhizobiaceae

La fijación del nitrógeno por parte de procariotas es un proceso exclusivo de éste tipo de organismos (los eucariotas no pueden fijar nitrógeno).

A nivel ecológico es muy importante para el ciclo del nitrógeno para la distribución de los nutrientes que ha conformado la distribución de ecosistemas por todo el planeta tierra.

Fijación del nitrógeno

La fijación del nitrógeno es el proceso mediante el cual se utiliza nitrógeno en forma de gas (N2) procedente de la atmósfera como fuente de electrones y lo convierte en amoníaco (NH3).

Las bacterias fijadoras de nitrógeno son las únicas no fototrofas que fijan N2 en aerobiosis mediante el sistema enzimático de la nitrogenasa.

El complejo enzimático nitrogenasa tiene dos componentes, el componente I (dinitrogenasa) y el componente II (reductasa de la dinitrogenasa centro activo de hierro y molibdeno, cuando no hay molibdeno, se puede utilizar Vanadio y si tampoco lo hubiera pueden funcionar sólo con Hierro).

La función del componente II es ceder electrones al componente I donde tiene lugar la reducción del nitrogéno gaseoso a amoníaco. En este proceso se genera siempre hidrógeno gasesoso (H2). Hay bacterias que, además, aprovechan el H2 porque tienen hidrogenasas.

La nitrogenasa puede usar otros sustratos como cianuro, ácido nitroso, acetileno… El uso de acetileno es interesante porque la actividad de la nitrogenasa se puede medir cuantificando la generación de etileno mediante cromatografía gaseosa, este ensayo se conoce como ensayo de la nitrogenasa.

Rasgos principales de la nitrogenasa

Requiere un aporte continuado de ATP, pues para reducir una molécula de nitrógeno N2 se requiere el aporte de 6 electrones (el N2 es una molécula muy inerte) y por cada 2 electrones se emplean 4,5 ATP.

La nitrogenasa se inhibe en presencia de oxígeno por lo que todos los microorganismos con este complejo enzimático han desarrollado estructuras para proteger la nitrogenasa: heterocistes, exopolisacáridos, consumir el oxígeno presente…

Cuando existe nitrógeno combinado como aminoácidos, nitratos, amonio,… la actividad de la nitrogenasa se ve reducida y se reprime la transcripción de los gentes que la codifican.

Genética de la fijación del nitrógeno (N2)

El complejo enzimático de la nitrogenasa se encuentran codificados en los llamados genes nif que se encuentran en un regulón. Son 20 genes que como hemos visto arriba se inhibe en presencia de nitrógeno fijado, el producto de la fijación no los inhibe porque el NH3 generado se consume.

Las nitrogenasas están muy conservadas, no son muy específicas y los gentes presentan una alta homología en todas las especies.

Familia Azotobacteraceae

Es el grupo más importante de fijadores de nitrógeno, son bacilos y cocos gram negativos aerobios. Son de vida libre y fototrofos.

Azotobacter

Es el género más importante, se encuentra englobado en las gamma – proteobacterias y su morfología consiste en bacilos de gran tamaño que forman quistes de resistencia.

Para eliminar el oxígeno del medio tiene unas tasas de respiración muy altas que logran mediante invaginaciones de la membrana para aumentar la superficie respiratoria. Además, producen una gran cantidad de exopolisacáridos (EPS) por lo que tienen un aspecto mucoso. Acumulan grandes cantidades de PHB (polihidroxibutirato). Además, también forma estructuras de resistencia llamadas heterocistes que son resistentes ala desecación y a la radiación pero no al calor.

Son bacterias que suelen estar presentes en suelos de pH neutro o alcalinos que pueden fijar nitrógeno pero crecen mejor con amoniaco.

Beijerinckia

Similares a Azotobacter suelen aparecer en suelos ácidos como los tropicales.

Familia Rhizobiaceae

Esta familia es muy importante porque incluye bacterias que han desarrollado relaciones muy estrechas con plantas. Podemos encontrar dos grupos:

Fijadores simbiontes de nitrógeno como Rhizobium
Patógenos vegetales como Agrobacterium

Rhizobium

Generalidades de Rhizobium

Son fijadores simbiontes de nitrógeno. Las leguminosas tienen asociadas una población de Rhizobium pues ni este género de bacterias ni las leguminosas pueden fijar nitrógeno por sí mismas sino que se debe a la relación simbiótica que da lugar a la formación de nódulos en las raíces donde se produce la fijación del nitrógeno.

Es una ventaja adaptativa de las leguminosas para poder crecer en otro tipo de suelos. Esta simbiosis es muy específica donde, por lo general, una especie de Rhizobium es capaz de infectar a un tipo de leguminosa y es debido a los grupos de inoculación cruzada. Normalmente en un suelo no cultivado hay Rhizobium aunque si no hay leguminosas la cantidad es baja. Para cultivar las semillas se inoculan los Rhizobium que forman nódulos para la fijación del nitrógeno. (en la foto sección transversal de un nódulo con Rhizobium)

Nodulación

Para que se formen los nódulos deben haber una cantidad abundante de Rhizobium de manera artificial o porque las raíces de leguminosas estimulan su crecimiento.

Las etapas de la nodulación son las siguientes:

Reconocimiento y adhesión

Las células bacterias se unen a la planta gracias a que porque ésta sintetiza lectinas que se unen a los polisacáridos capsulares de Rhizobium, el cual produce ricadhesinas que se unen a los iones de Calcio. Una vez unidas, la bacteria segrega factores nod que inducen la curvatura del pelo radical al que se han unido.

Penetración

La curvatura del pelo radical, permite que se forme el tubo o cordón de infección a través del que Rhizobium entra en la raíz hasta llegar a las células tetraploides de la raíz.

Desplazamiento hacia la raíz principal

Nodulación

Las bacterias se multiplican rápidamente en el interior de las células vegetales y se transforman en unas ramificaciones hinchadas, ramificadas y deformes llamadas bacteroides que quedan rodeados en grupos o individualmente por la membrana peribacteroidal. Hasta que no se forman los bacteroides no se empieza fijar el nitrógeno. Los bacteroides no se pueden dividir.

Cuando muere la planta, se empiezan a degradar los nódulos y los rizobios se liberan, aunque no se pueden dividir siempre hay algún rizobio durmiente que da lugar de nuevo al proceso.

Bioquímica, fisiología y genética de la fijación simbióntica

En los bacteroides la nitrogenasa permanece igual por lo que necesita el aporte de electrones. Los donadores de electrones son los productos de la fotosíntesis como el succinato, malato y fumarato para la formación de ATP.

Las sustancias que se usan como donador de electrones también se usan para ir al ciclo de los ácidos tricarboxílicos.

La leghemoglobina es un producto de la simbiosis, es un transportador proteico. Cede el oxígeno de la cadena de transporte electrónico para que el oxígeno no esté libre y por tanto en contacto con la nitrogenasa. La propoción de oxígeno unido a la hemoglobina es 1000:1

El amoniaco pasa a la planta que sintetiza compuestos orgánicos con nitrógeno como la alantoína. Se han detectado altos niveles de glutamina sintetasa que asimila el amoniaco en las plantas.

Genética de la formación de los nódulos

Los genes implicados en la nodulación se llaman genes nod. Están muy conservados en las distintas especies de rizobios. Están en unos megaplásmidos (Plásmido sym) responsables de la especificidad y nodulación.

Hay un grupo de genes nod: nodABC que están implicados en la síntesis de los factores NOD que son de tipo quitina. Estos factores están implicados en la curvatura del pelo radical y también en la división de las células dentro de la raíz. Tienen un esqueleto en forma de N-acetil-glucosamina con sustituyentes químicos de distintos tipos. Estos sustituyentes son los que tienen que ver con la especificidad y hay otros genes nod que sirven para sintetizar estos radicales.

Además, hay otros genes reguladores y sustancias que actúan como inductores. Estos inductores son flavonoides. Son sustancias que sintetizan las plantas, aunque en las leguminosas son sintetizadas por las raíces. Hay moléculas muy parecidas que son inhibidores de la transcripción, de esta manera se regula la especificidad de la planta.

Hay plantas en las que la nodulación no se produce en las raíces sino en los tallos, son plantas típicas de regiones tropicales. Los rizobios presentan BchlA para realzar la fotosíntesis anoxigénica.

Además, de leguminosas también se pueden formar asociaciones con otras plantas no leguminosas como Azolla (planta acuática), los alisos también realizan esta simbiosis y plantas tropicales, maíz, caña de azúcar,…

Agrobacterium

Se encuentran en el suelo y causan tumores en las raíces y tallos de plantas dicotiledóneas.

Hay dos especies estudiadas A. rhizogenes que forma raíces pilosas con crecimientos anormales del tejido de la pared y A. tumefaciens que forma agallas y tumores donde se insertan las hojas en el tallo.

Tumoración

Debe existir una herida en la planta a la que se une la célula bacteriana por una interacción entre una sustancia de la planta y otra de la bacteria: la peptina por parte de la planta y un polisacárido con beta-glucosa por parte de la bacteria.

Además, en ocasiones, la bacteria hace fibrillas de celulosa que ayudan a que se adhiera a la planta aunque no es imprescindible.

Las dos especies mencionadas anteriormente tienen un plásmido grande llamado Ti (tumor induction) cuya zona t se integra en el genoma de la planta tras la unión bacteria-planta.

En este trozo de DNA se encuentran los genes que originan el tumor y otros genes que dirigen la síntesis y catabolismo de sustancias llamadas OPINAS (aminoácidos modificados) y que sirven como fuente de carbono y energía para la bacteria.

Además, en el plásmido hay genes vir que provocan que el T-DNA se integre. Estos genes están inducidos por compuestos fenólicos que secreta la planta en las heridas.

Aplicaciones

Este sistema se utiliza para la manipulación genética, de manera que en estos plásmidos se pueden incluir genes de resistencia a la sequía, salinidad, herbicidas, insecticidas

Foto de http://www.mokkka.hu/drupal/en/node/2901