Establecimiento de la simbiosis rizobio-leguminosa y formación de nódulos activos

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La simbiosis rizobio-leguminosa es un modelo fascinante de cooperación natural, donde bacterias del suelo (Rhizobium spp.) infectan las raíces de leguminosas para formar nódulos fijadores de nitrógeno. Este artículo titulado ¨ Establecimiento de la simbiosis rizobio-leguminosa y formación de nódulos activos ¨ describe el proceso clave: desde el reconocimiento molecular entre ambos organismos hasta la formación de nódulos funcionales, que enriquecen el suelo y reducen el uso de fertilizantes químicos.

Mecanismos bioquímicos y ecológicos de la fijación biológica de nitrógeno

La fijación de nitrógeno es definida como el proceso de oxidación o reducción del nitrógeno para dar amonio y óxidos. Este proceso consiste en la conversión del nitrógeno atmosférico a formas metabolizables o biodisponibles que puedan ser asimiladas por los seres vivos. Las formas biodisponibles de nitrógeno son el ion amonio (NH₄⁺), iones nitrato (NO₃^–) o iones nitrito (NO₂^–) (Calvo García, 2011). Existen dos tipos de fijación del nitrógeno: abiótica o biológica.

En la naturaleza, determinados microorganismos del suelo cumplen un papel crucial en el ciclo del N (Barrera et al., 2012; Morales-Morales et al., 2019). Las bacterias en simbiosis con una planta hospedera fijan el nitrógeno atmosférico mediante compuestos solubles que las plantas producen como el amoniaco, posteriormente el amoniaco entra en la cadena alimenticia mediante su incorporación a los aminoácidos y proteínas (Calvo García, 2011; Kuypers et al., 2018).

Los microorganismos responsables de la fijación biológica del N atmosférico (FBN) son conocidos diazótrofos que incluyen especies de los dominios Bacteria y Archaea, además de un limitado grupo de eucariotas (Mahmud et al., 2020), los diazótrofos pueden clasificarse en tres grupos, dependiendo del mecanismo involucrado para la FBN (Kneip et al., 2007). Los diazótrofos simbióticos fijan N únicamente en estructuras especializadas (nódulos) formados por hospederos específicos de la familia Fabaceae, con excepción de Frankia spp., que puede deformar nódulos en árboles distintos al grupo de las leguminosas (Boyd & Peters, 2013).

De igual forma, los diazótrofos endofíticos fijan N al desarrollarse dentro de los tejidos vegetales de leguminosas y no leguminosas, sin presentar estructuras especializadas (Gupta et al., 2019), finalmente, las bacterias diazotróficas asociativas y de vida libre, pueden fijar N mientras se desarrollan en la superficie de las raíces o en el suelo rizosférico (Nag et al., 2020).

El enlace que une los dos átomos de nitrógeno gaseoso (N₂) tiene un costo elevado de energía para su ruptura, para romper este triple enlace son necesarias cantidades importantes de energía, para lo cual se requieren 16 moléculas de ATP por N₂ reducido (Calvo García, 2011) siguiendo la siguiente reacción:

La capacidad metabólica de estos microsimbióntes bacterianos, constituye una ventaja competitiva en el ecosistema, depende de la metaloenzima nitrogenasa (Peng et al., 2018). Este complejo enzimático se compone de la proteína catalítica dinitrogenasa y una ferroproteína donadora de electrones dependiente de ATP conocida como dinitrogenasa reductasa (Hoffman et al., 2014).

El dominio catalítico de la dinitrogenasa, generalmente, contiene un cofactor Molibdeno-Hierro pero en algunas especies el cofactor puede estar compuesto por Vanadio-Hierro o únicamente Hierro (Pankievicz et al., 2019). Los genes estructurales que codifican Mo-nitrogenasa y Fe-nitrogenasa se organizan en operones individuales nifHDK y anfHDGK, respectivamente, mientras que los genes que codifican la Va-nitrogenasa se organizan en dos operones, vnfHFd y vnfDGK, regulados independientemente (Lei et al., 2000).

En ese contexto, la bacteria Azotobacter vinelandii codifica los tres tipos de nitrogenasas, mientras que otros microorganismos como los rizobios y los fijadores de nitrógeno marino del género Trichodesmium, poseen únicamente Mo-nitrogenasa (Zehr et al., 2003). En función de la composición del complejo enzimático, la disponibilidad de vanadio, molibdeno o hierro en el suelo constituye un factor limitante dentro de la FBN (Darnajoux et al., 2019).

La asociación entre bacterias nodulíferas fijadoras de N (BNFN) y la planta hospedera depende del intercambio de carbono provisto a través de fotosintatos de la planta como fuente de energía para los microorganismos, además de N en forma de NH₄⁺, que es retornado a la planta mediante la actividad de la nitrogenasa microbiana (Lindström & Mousavi, 2020). El proceso de nodulación se da lugar bajo condiciones de escasez de N en el sistema edáfico produciéndose interacciones a nivel molecular entre la raíz de la planta y rizobios (Maróti & Kondorosi, 2014).

Esta interacción se produce gracias a compuestos polifenólicos, llamados flavonoides, exudados por la raíz hacia la rizosfera, estos actúan como quimio-atrayentes para los rizobios (Masson-Boivin et al., 2009), en consecuencia, se activan sus genes responsables de la nodulación (nod) (Walker et al., 2020). Esta interacción es específica, de tal suerte que los flavonoides exudados por un espectro limitado de leguminosas hospederas serán recibidos por determinadas cepas de rizobios.

La fijación simbiótica de nitrógeno se realiza a través de nódulos radiculares, estos son el resultado palpable de la interacción simbiótica rizobios-leguminosa, cuando ambos entran en contacto se produce un cambio de diferenciación en la bacteria, modificándose y formando un bacteroide, mismo que expresa su actividad nitrogenasa y gracias al complejo enzima nitrogenasa logra la fijación del nitrógeno del aire.

El aparecimiento del nódulo radicular responde a un proceso coordinado que implica la señalización por parte de la planta y por parte del microsimbionte, es decir, es un proceso que puede llegar a ser muy específico. Calvo García (2011) resume todo este proceso en tres etapas.

Proceso de colonización de los pelos radicales

Sin embargo, Ferrera-Cerrato (2007) menciona un proceso de colonización de los pelos radicales que contempla las siguientes etapas:

1. “La multiplicación de bacterias nodulares en la rizosfera de la leguminosa”.
2. “Las raíces de la planta exudan flavonoides que estimulan a las rizobias a producir varios metabolitos nodulares. En este caso, existen numerosos factores nodulares que controlan la especificidad de la colonización”.
3. “La adhesión de Rhizobium a los pelos absorbentes de las raíces es favorecida por proteínas bacterianas específicas, llamadas ricadesinas. Estas proteínas interactúan con las lectinas de la leguminosa hospedera, lo que influye en la expresión de los genes de nodulación”.
4.  “Los pelos absorbentes sufren un enchinamiento con el cual se inicia el hilo de infección hacia las células corticales”.
5. “El filamento de colonización llega a la célula tetraploide la cual se diferenciará y formará un nódulo que contendrá los bacteroides rodeados de una membrana peribacteroideal de origen vegetal, diferenciándose así los simbiosomas fijadores de nitrógeno molecular. Esta es una de las simbiosis más útiles estudiadas en la microbiología agrícola”.

Calvo García (2011) describe en el primer paso, que las plantas liberan sustancias orgánicas como carbohidratos, ácidos orgánicos, vitaminas, aminoácidos o compuestos fenólicos, en este último caso, los compuestos fenólicos más frecuentes que son exudados son los flavonoides o bioflavonoides, también conocidos como vitamina P y citrina. Los flavonoides al ser una familia diversa de compuestos por sus múltiples isomerías y adición de grupos funcionales a su base, permiten exista una verdadera “huella digital” para un determinado microsimbionte, un ejemplo de bioflavonoides son el eriodictiol y la apigenina-7-O-glucósido; estos inducen la nodulación de la agrobacteria Rhizobium leguminosarum.

El proceso de adhesión por parte del microsimbionte tiene lugar en la zona de infección donde se liberaron las glicoproteínas específicas como la ricadesina y las lectinas mismas que atraen a dicho microsimbionte, éste se acerca a la zona de infección y libera un lipopolisacárido denominado factor NOD, este factor induce una serie de deformaciones en los pelos radiculares.

A nivel génico la planta dispara la expresión de una serie de proteínas que facilitan al microsimbionte la expresión de sus genes de fijación denominados genes FIX, mismos que permiten al microorganismo reconocer áreas radiculares en donde puede propagar e incorporarse a la planta, el simbionte ingresa al pelo radicular, para colonizarlo, éste debe perder la pared celular y producirse una invaginación en la membrana celular del microsimbionte (Calvo García, 2011; Egelhoff & Long, 1985).

Referencias

Barrera, A. F., Álvarez-Herrera, J. G., Forero, A. F., Salamanca, C., & Pinzón, L. P. (2012). Determinación del Nitrógeno potencialmente mineralizable y la tasa de mineralización de nitrógeno en materiales orgánicos. Temas Agrarios, 17(1), 32–43.

Boyd, E. S., & Peters, J. W. (2013). New insights into the evolutionary history of biological nitrogen fixation. Frontiers in Microbiology, 4. https://doi.org/10.3389/fmicb.2013.00201

Calvo García, S. (2011). Bacterias simbióticas fijadoras de nitrógeno. CT, 3, 173–186.

Darnajoux, R., Magain, N., Renaudin, M., Lutzoni, F., Bellenger, J.-P., & Zhang, X. (2019). Molybdenum threshold for ecosystem scale alternative vanadium nitrogenase activity in boreal forests. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(49). https://doi.org/10.1073/pnas.1913314116

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Hoffman, B. M., Lukoyanov, D., Yang, Z.-Y., Dean, D. R., & Seefeldt, L. C. (2014). Mechanism of Nitrogen Fixation by Nitrogenase: The Next Stage. Chemical Reviews, 114(8). https://doi.org/10.1021/cr400641x

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Kuypers, M. M. M., Marchant, H. K., & Kartal, B. (2018). The microbial nitrogen-cycling network. Nature Reviews Microbiology, 16(5). https://doi.org/10.1038/nrmicro.2018.9

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Nag, P., Shriti, S., & Das, S. (2020). Microbiological strategies for enhancing biological nitrogen fixation in nonlegumes. Journal of Applied Microbiology, 129(2). https://doi.org/10.1111/jam.14557

Pankievicz, V. C. S., Irving, T. B., Maia, L. G. S., & Ané, J.-M. (2019). Are we there yet? The long walk towards the development of efficient symbiotic associations between nitrogen-fixing bacteria and non-leguminous crops. BMC Biology, 17(1). https://doi.org/10.1186/s12915-019-0710-0

Peng, T., Xu, Y., & Zhang, Y. (2018). Comparative genomics of molybdenum utilization in prokaryotes and eukaryotes. BMC Genomics, 19(1). https://doi.org/10.1186/s12864-018-5068-0

Walker, L., Lagunas, B., & Gifford, M. L. (2020). Determinants of Host Range Specificity in Legume-Rhizobia Symbiosis. Frontiers in Microbiology, 11. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.585749

Zehr, J. P., Jenkins, B. D., Short, S. M., & Steward, G. F. (2003). Nitrogenase gene diversity and microbial community structure: a cross-system comparison. Environmental Microbiology, 5(7). https://doi.org/10.1046/j.1462-2920.2003.00451.x

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