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Autor: Controlbiologico
Dentro de los métodos biológicos de fijación del N2 atmosférico también se encuentran las bacterias capaces de realizar este proceso en simbiosis con formas superiores de vida, específicamente el género Rhizobium, las cuales establecen relaciones simbióticas con plantas pertenecientes a la familia Fabaceae (Bauer, 2001).
Burdman et al.(1998), plantean que entre los distintos sistemas biológicos que son capaces de fijar N2 atmosférico, la simbiosis Rhizobium-leguminosa contribuye con la mayor cantidad de nitrógeno al ecosistema y a la producción de alimentos. Aunque hay diversas asociaciones que realizan el proceso de fijación biológica del N2, en la mayoría de lugares agrícolas la fuente primaria (80%) del N2 fijado biológicamente ocurre a través de dicha simbiosis (Anónimo, 2001 b). Se estima que esta puede oscilar entre 200 y 250 kg. N ha-1 año (FAO, 1995), dependiendo del nivel de fijación de la especie, del cultivo, suplemento de agua, inoculación, condiciones del suelo y la fertilidad. Se calcula que la fijación de este por las plantas leguminosas alcanza el 20% de la cantidad total fijada anualmente sobre el planeta. Esta a su vez constituye la asociación más elaborada y eficiente entre plantas y microorganismos, por esta razón ha sido la más estudiada hasta el momento.
Características de Rhizobium sp.
Según Mayea et al. (1998) y Martínez-Viera (1986), las especies del género Rhizobium son quimiorganotróficas y crecen mejor sobre medios complejos de 25 a 30 oC, todas las cepas utilizan glucosa, galactosa, fructosa, tiamina y pentatenato de calcio. El hierro (Fe) es necesario para la síntesis de hemoproteína, este elemento es un constituyente de la leghemoglobina, se encuentra presente en la Fe-proteína y en la Mo-Fe proteína, componentes de la nitrogenasa, así como en la ferridoxina bacteriana. A pesar de que las cantidades de este elemento necesarias para el funcionamiento eficiente de los nódulos son altas, constituye normalmente, en cantidades absolutas, una pequeña fracción del total asimilable por las plantas, por ello, cuando en las leguminosas se observan síntomas de deficiencias de Fe, podemos estar seguros de que la simbiosis no se está efectuando y se debe agregar rápidamente el elemento. La escasez de cationes divalentes (Ca y Mg) conduce a pérdidas marcadas de viabilidad. La necesidad de trazas de Co en la síntesis y funcionamiento de la vitamina B12 se ha considerado como una interacción que proviene de la toxicidad del Ni o Cu. La deficiencia de cinc (Zn) tiene un efecto adverso sobre la nodulación y se observa, sobre todo, cuando hay altos niveles de fósforo.
Citado por estos autores, cuando falta molibdeno (Mo) se forman más nódulos, pero son menos eficientes y su estructura se asemeja a la de los nódulos inactivos, la dificultad para la asimilación de Mo parece ser una de las principales limitaciones en la fijación del N2 por el frijol, especialmente en los suelos ácidos se ha demostrado que, cuando se suministra a estos Mo y Ca, el frijol es capaz de obtener todo el nitrógeno necesario para producir 3000 kg. ha-1 de grano.
Uno de los factores más importantes en el éxito ecológico de las plantas de la familia Fabaceae es su capacidad para interaccionar con bacterias del suelo pertenecientes a los géneros Rhizobium y Bradyrhizobium. En esta asociación, la bacteria induce en la planta el desarrollo de un nuevo órgano, el nódulo. Dentro de este se crea el ambiente necesario para la fijación de N2 atmosférico por la bacteria que hace a la planta independiente del nitrógeno del suelo. La formación del nódulo implica un reconocimiento específico entre los componentes procarióticos y eucarióticos de la asociación, la invasión de la célula de la planta por las bacterias y otros muchos cambios en la estructura bioquímica de ambos organismos. El análisis genético de la bacteria ha permitido identificar más de 30 genes, cuya función es necesaria para el desarrollo de un nódulo fijador de N2 y que no se necesitan para el crecimiento vegetativo de la bacteria (González y Lluch, 1992).
Según Aranda et al. (2000 b), la selección de cepas bacterianas con efecto aditivo se encuentra entre las tendencias actuales de la biotecnología agrícola. En respuesta a las bajas concentraciones de ión férrico en el medio, muchos microorganismos producen y secretan sideróforos. Aranda et al. (2000 c) plantean que los producidos por rizobios constituyen una opción factible para el control de agentes patógenos de los cultivos hospederos. Estos compuestos no son más que metabolitos secundarios que aparecen en la fase estacionaria del crecimiento bacteriano, los cuales desempeñan un papel determinante en el biocontrol de patógenos fungosos de la rizosfera. Estos sideróforos suprimen enfermedades fungosas por acoplamiento del hierro, convirtiéndose en factor limitante para el crecimiento del patógeno. Aranda et al. (2000 a) realizaron un estudio en la provincia de Holguín con el objetivo de aislar y caracterizar cepas de rizobios de diferentes agroecosistemas y seleccionar aquellas con mejores potencialidades en cuanto a la producción de sideróforos. Los resultados demostraron que todas las cepas seleccionadas y caracterizadas tenían capacidad para la biosíntesis de este metabolito. Se seleccionó la mejor cepa por especie de cultivo para la evaluación del efecto antagónico ante la cepa de Rhizoctonia solani, comprobándose la actividad antagónica de las cepas estudiadas ante el crecimiento e infección del hongo fitopatógeno.
Factores que afectan la nodulación y la fijación de N2 en las leguminosas.
Caba et al. (2001) señalan que los nódulos radicales de las leguminosas son estructuras complejas, como ponen de manifiesto los estudios histológicos y fisiológicos, cuyo desarrollo y funcionamiento están regulados principalmente por la planta, la cual controla el número de nódulos mediante un mecanismo endógeno de retroinhibición o inhibición "feedback" y que se ha llamado de autorregulación. Básicamente consiste en que, iniciado un número crítico de primordios nodulares se bloquea la división celular en el córtex radical inhibiéndose el desarrollo de nuevos nódulos. La nodulación también está controlada por factores externos entre los que el nitrato del suelo resulta de especial significación. La inhibición de la nodulación por el nitrato, una vieja cuestión en el campo de la simbiosis Rhizobium-leguminosa, no es un efecto nutricional como en un tiempo se pensó, sino más complejo, implicando estadios tempranos en la ontogenia del nódulo de forma similar a la respuesta de autorregulación pero al contrario que ésta, se trata de un efecto localizado y no sistémico. Mediante injertos entre plantas de diferentes genotipos, mutantes y parentales, se ha demostrado que la señal autorreguladora procede de la parte aérea (SDI, shoot derived inhibitor). No obstante, los experimentos de escisión de nódulos han revelado un mecanismo de control adicional más tardío en el que los nódulos maduros suprimen el desarrollo de los estadios tempranos. Aunque se ha especulado con el ácido abscísico, como molécula candidata a la señal autorreguladora, lo cierto es que ésta permanece aún por identificar. Recientes revisiones sobre nodulación dan esquemas e hipótesis para conectar las fitohormonas con la morfogénesis de los nódulos. En los nódulos radicales de diversas leguminosas se pueden detectar cuatro tipos de hormonas vegetales, auxinas, citoquininas, giberelinas y ácido abscísico todas ellas a concentraciones superiores a las existentes en las raíces vecinas. Los rizobios producen auxinas , citoquininas y giberelinas si bien no se conoce la medida en la que éstas contribuyen al balance hormonal del nódulo y por otra parte no parece que su papel en la nodulación sea muy significativo ya que mutaciones en la producción de auxinas, por ejemplo, no afectan la nodulación. Suministradas exógenamente, las fitohormonas pueden inhibir la formación de los nódulos, por lo que un posible papel inhibidor para estos reguladores podría estar en la autorregulación de la nodulación.
Otra evidencia en favor de la implicación de las fitohormonas en la organogénesis de los nódulos es el hecho de que determinadas fitohormonas o bien compuestos que bloquean el transporte, inducen la formación de estructuras parecidas a nódulos (nódulos vacíos o pseudonódulos). Inhibidores del transporte polar de las auxinas, como el ácido naftil-ftalámico (NPA), inducen la formación de pseudonódulos en las raíces de diferentes leguminosas y estas estructuras expresan diferentes nodulinas tempranas, ENOD2, ENOD12, ENOD40, etc. También se ha observado que la aplicación de citoquininas a la raíz activa la división celular en el córtex radical en varias especies y que mutantes de Rhizobium meliloti portadores de gen tzs de Agrobacterium tumefaciens, que excretan citoquininas, inducen la formación de nódulos vacíos que expresan ENOD2 en raíces de alfalfa. No obstante, la expresión de nodulinas tempranas puede no requerir la formación de estructuras nodulares como sugieren la inducción de ENOD2, en raíces de Sesbania, y de ENOD12 y ENOD40, en alfalfa por aplicación de bencil adenina (Cooper y Long, 1994, citado por Caba et al., 2001).
El funcionamiento de la planta hospedadora y el endófito puede describirse, en términos generales, como un intercambio de carbono, suministrado por la planta y el nitrógeno, suministrado por los bacteriodes formados en el tejido nodular. Adicionalmente, la estructura nodular que se forma en las raíces, provee una adecuada regulación del flujo de oxígeno. El proceso de fijación simbiótica de N2 resulta particularmente sensible a circunstancias ambientales adversas (Arrese et al., 1999). Según estos autores, el descenso de la fijación se relaciona originalmente con una limitación de aporte de fotoasimilados a los nódulos. Sin embargo, se ha demostrado que el descenso de la actividad fijadora precede a efectos detectables sobre la fotosíntesis. Durante los últimos 15 años, la limitación de la actividad fijadora se ha relacionado con variaciones en la resistencia de la difusión de oxígeno en los nódulos; una menor disponibilidad de este elemento tendría como consecuencia una limitación en la capacidad de generar ATP por parte de los bacteroides, que serían incapaces de mantener la actividad nitrogenasa. La existencia de una capacidad, por parte de los nódulos, de regular el intercambio gaseoso, a través de la llamada barrera de difusión de oxígeno, ha contribuido al fortalecimiento de dicha hipótesis. Sin embargo se ha demostrado recientemente que el incremento del oxígeno en la rizosfera no es capaz de restaurar completamente la actividad fijadora inhibida por causas ambientales. La capacidad metabólica de los nódulos puede ser modificada debido a descensos en la actividad sacarosa sintasa, lo que conduce a una acumulación de sacarosa y una falta de sustratos respirables para los bacteroides. Como consecuencia de esta situación, los nódulos restringirían el flujo de oxígeno para evitar la inhibición irreversible de la nitrogenasa.
Luque et al. (1999) plantean que la nodulación de las leguminosas es un proceso regulado por factores internos (autorregulación) y externos (fundamentalmente nitratos) y se ha sugerido la existencia de algún componente común compartido por ambos tipos de regulación de la nodulación. Experimentos realizados por estos autores, apoyan al etileno endógeno como posible candidato mediador en el control de la formación de nódulos y en la inhibición por nitratos. En este trabajo se estudió la distribución de la nodulación en raíces de soja (Glycine max) cv Bragg y su posible relación con la biosíntesis de etileno (producción de etileno y contenido de ACC, precursor inmediato de la fitohormona en tejidos vegetales) en distintas zonas de las raíces de las plantas. Los resultados obtenidos demuestran la hipótesis anteriormente planteada. Las tasas de producción de etileno de las distintas fracciones fueron sin embargo superiores a las encontradas en raíces intactas y no se correlacionaron con los nódulos que se formaron en cada caso. En cuanto al contenido de ACC, las diferencias entre fracciones y raíces intactas fueron menores que para las tasas de producción de etileno. Además, el contenido de ACC se correlacionó mejor con la nodulación en cada fracción y fue significativamente mayor en las fracciones de raíces inoculadas, especialmente a 48 h tras la inoculación. Estos resultados coinciden con los apuntados por Caba et al. (2001), los que señalan que el etileno exógeno es un potente inhibidor de la nodulación pero la raíz inoculada y sobre todo los nódulos, producen significativamente más etileno que la raíz no inoculada, siendo ese etileno de origen vegetal. El nitrato del suelo, por un mecanismo aún desconocido, es un efectivo inhibidor de la nodulación de las leguminosas. Paradójicamente el nitrato, un nutriente y no un estrés, incrementó significativamente la producción de etileno en raíces de alfalfa (Medicago sativa) inoculadas encontrándose una relación inversa entre las tasas de liberación de etileno y la nodulación que se desarrolló sobre esas raíces sugiriendo que el efecto inhibidor del nitrato podría estar mediado por el etileno. Esta hipótesis resultó fuertemente apoyada cuando al tratar plantas de alfalfa, inoculadas en presencia de nitrato, con aminoetoxivinilglicina (AVG), inhibidor específico de la biosíntesis de etileno, la liberación de etileno descendió en un 80-90% y la inhibición de la nodulación fue revertida. Adicionalmente, en este estudio, se puso de manifiesto que en condiciones de no inhibición, el tratamiento con AVG también incrementó el número de nódulos confirmando anteriores resultados para la misma y otras especies e indicando un papel inhibidor del etileno endógeno en la nodulación. Finalmente, la incapacidad de ciertos mutantes Exo de Rhizobium leguminosarum para nodular Vicia sativa ssp nigra, ha sido atribuida al etileno producido por la raíz en respuesta a la inoculación (Caba et al., 2001).
Así mismo, Caba et al. (1999) plantean que la producción de etileno se incrementa significativamente en las raíces de leguminosas inoculadas, así como también la aplicación de etileno exógeno inhibe la nodulación, y el tratamiento con inhibidores de la formación o la percepción del etileno favorece la formación de nódulos radicales. Según estos autores un estudio sobre el efecto del etileno exógeno aplicado en diferentes situaciones sobre la nodulación del mutante de soja nts 382 y el parental Bragg en condiciones controladas, tratadas con etileno en forma de ACC, demostraron que el efecto inhibidor del etileno se ejerce en un estadio temprano del desarrollo del nódulo y que los meristemos que progresan crecen y se desarrollan más rápidamente, dando nódulos con una mayor masa. La inhibición de la nodulación en las diferentes situaciones estudiadas fue siempre considerablemente mayor en el parental Bragg respecto al mutante nts, sugiriendo una mayor sensibilidad al etileno en este último. A nivel de planta entera, sin embargo, no se encontraron diferencias significativas apreciables en la capacidad para responder al etileno entre ambos genotipos.
Autor: Controlbiologico
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