31.3: Adaptaciones Nutricionales de Plantas

Habilidades para Desarrollar

• Comprender las adaptaciones nutricionales de las plantas
• Describir las micorrizas
• Explicar la fijación de nitrógeno

Las plantas obtienen alimento de dos maneras diferentes. Las plantas autótroficas pueden hacer su propio alimento a partir de materias primas inorgánicas, como el dióxido de carbono y el agua, a través de la fotosíntesis en presencia de la luz solar. En este grupo se incluyen plantas verdes. Algunas plantas, sin embargo, son heterótrofas: son totalmente parasitarias y carecen de clorofila. Estas plantas, conocidas como plantas holoparasitarias, son incapaces de sintetizar carbono orgánico y extraer todos sus nutrientes de la planta hospedadora.

Las plantas también pueden contar con la ayuda de socios microbianos en la adquisición de nutrientes. Particulares especies de bacterias y hongos han evolucionado junto con ciertas plantas para crear una relación simbiótica mutualista con las raíces. Esto mejora la nutrición tanto de la planta como del microbio. La formación de nódulos en plantas leguminosas y la micorrización pueden considerarse entre las adaptaciones nutricionales de las plantas. Sin embargo, estas no son el único tipo de adaptaciones que podemos encontrar; muchas plantas tienen otras adaptaciones que les permiten prosperar en condiciones específicas.

Fijación de nitrógeno: interacciones de raíces y bacterias

El nitrógeno es un macronutriente importante porque forma parte de ácidos nucleicos y proteínas. El nitrógeno atmosférico, que es la molécula diatómica\(\ce{N2}\), o dinitrógeno, es el mayor reservorio de nitrógeno en los ecosistemas terrestres. Sin embargo, las plantas no pueden aprovechar este nitrógeno porque no cuentan con las enzimas necesarias para convertirlo en formas biológicamente útiles. Sin embargo, el nitrógeno puede ser “fijo”, lo que significa que se puede convertir en amoníaco (\(\ce{NH3}\)) a través de procesos biológicos, físicos o químicos. Como has aprendido, la fijación biológica de nitrógeno (BNF) es la conversión del nitrógeno atmosférico (\(\ce{N2}\)) en amoníaco (\(\ce{NH3}\)), realizada exclusivamente por procariotas como bacterias del suelo o cianobacterias. Los procesos biológicos aportan el 65 por ciento del nitrógeno utilizado en la agricultura. La siguiente ecuación representa el proceso:

\[\ce { N2 + 16 ATP + 8 e^{-} + 8 H^{+} \rightarrow 2 NH3 + 16 ADP + 16 P_i + H_2} \nonumber\]

La fuente más importante de BNF es la interacción simbiótica entre las bacterias del suelo y las plantas leguminosas, incluyendo muchos cultivos importantes para los humanos (Figura\(\PageIndex{1}\)). El NH ₃ resultante de la fijación puede transportarse al tejido vegetal e incorporarse a aminoácidos, que luego se convierten en proteínas vegetales. Algunas semillas de leguminosas, como la soja y el maní, contienen altos niveles de proteína, y sirven entre las fuentes agrícolas de proteína más importantes del mundo.

 

Figura\(\PageIndex{1}\): Algunas legumbres comestibles comunes, como (a) cacahuetes, (b) frijoles y (c) garbanzos, son capaces de interactuar simbióticamente con bacterias del suelo que fijan nitrógeno. (crédito a: modificación de obra por Jules Clancy; crédito b: modificación de obra por parte del USDA)

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Los agricultores suelen rotar maíz (un cultivo de cereales) y soja (una leguminosa) plantando un campo con cada cultivo en temporadas alternas. ¿Qué ventaja podría conferir esta rotación de cultivos?

Contestar

La soya es capaz de fijar nitrógeno en sus raíces, las cuales no se cosechan al final de la temporada de crecimiento. El nitrógeno debajo del suelo puede ser utilizado en la próxima temporada por el maíz.

Los agricultores suelen rotar el maíz (un cultivo de cereales) y el frijol de soya (una leguminosa), plantando un campo con cada cultivo en temporadas alternas. ¿Qué ventaja podría conferir esta rotación de cultivos?

Las bacterias del suelo, llamadas colectivamente rizobias, interactúan simbióticamente con las raíces de las leguminosas para formar estructuras especializadas llamadas nódulos, en las que se realiza la fijación de nitrógeno. Este proceso conlleva la reducción del nitrógeno atmosférico a amoníaco, por medio de la enzima nitrogenasa. Por lo tanto, el uso de rizobios es una forma natural y respetuosa con el medio ambiente de fertilizar plantas, a diferencia de la fertilización química que utiliza un recurso no renovable, como el gas natural. A través de la fijación simbiótica de nitrógeno, la planta se beneficia del uso de una fuente interminable de nitrógeno de la atmósfera. El proceso contribuye simultáneamente a la fertilidad del suelo porque el sistema radicular de la planta deja atrás parte del nitrógeno biológicamente disponible. Como en cualquier simbiosis, ambos organismos se benefician de la interacción: la planta obtiene amoníaco, y las bacterias obtienen compuestos de carbono generados a través de la fotosíntesis, así como un nicho protegido en el que crecer (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): Las raíces de soya contienen (a) nódulos fijadores de nitrógeno. Las células dentro de los nódulos se infectan con Bradyrhyzobium japonicum, una bacteria rizóbia o “amante de las raíces”. Las bacterias están envueltas en (b) vesículas dentro de la célula, como se puede observar en esta micrografía electrónica de transmisión. (crédito a: modificación de obra por parte del USDA; crédito b: modificación de obra de Louisa Howard, Dartmouth Electron Microscope Facility; datos de barra de escala de Matt Russell)

Micorrizas: la relación simbiótica entre hongos y raíces

Una zona de agotamiento de nutrientes puede desarrollarse cuando hay absorción rápida de la solución del suelo, baja concentración de nutrientes, baja tasa de difusión o baja humedad del suelo. Estas condiciones son muy comunes; por lo tanto, la mayoría de las plantas dependen de hongos para facilitar la captación de minerales del suelo. Los hongos forman asociaciones simbióticas llamadas micorrizas con raíces de plantas, en las que los hongos realmente se integran en la estructura física de la raíz. Los hongos colonizan el tejido radicular vivo durante el crecimiento activo de la planta.

A través de la micorrización, la planta obtiene principalmente fosfato y otros minerales, como zinc y cobre, del suelo. El hongo obtiene nutrientes, como azúcares, de la raíz de la planta (Figura\(\PageIndex{3}\)). Las micorrizas ayudan a aumentar la superficie del sistema radicular de la planta porque las hifas, que son estrechas, pueden extenderse más allá de la zona de agotamiento de nutrientes. Las hifas pueden crecer en pequeños poros del suelo que permiten el acceso al fósforo que de otro modo no estaría disponible para la planta. El efecto beneficioso sobre la planta se observa mejor en suelos pobres. El beneficio para los hongos es que pueden obtener hasta el 20 por ciento del carbono total al que acceden las plantas. Las micorrizas funcionan como una barrera física frente a los patógenos. También proporciona una inducción de mecanismos generalizados de defensa del huésped, y en ocasiones implica la producción de compuestos antibióticos por los hongos.

Figura\(\PageIndex{3}\): Las puntas radiculares proliferan en presencia de infección micorrízica, la cual aparece como pelusa blanquecina en esta imagen. (crédito: modificación de obra por Nilsson et al., BMC Bioinformatics 2005)

Existen dos tipos de micorrizas: ectomicorrizas y endomicorrizas. Las ectomicorrizas forman una extensa vaina densa alrededor de las raíces, llamada manto. Las hifas de los hongos se extienden desde el manto hasta el suelo, lo que aumenta la superficie para la absorción de agua y minerales. Este tipo de micorrizas se encuentra en árboles forestales, especialmente coníferas, abedules y encinos. Las endomicorrizas, también llamadas micorrizas arbusculares, no forman una vaina densa sobre la raíz. En cambio, el micelio fúngico está incrustado dentro del tejido radicular. Las endomicorrizas se encuentran en las raíces de más del 80 por ciento de las plantas terrestres.

Nutrientes de Otras Fuentes

Algunas plantas no pueden producir su propio alimento y deben obtener su nutrición de fuentes externas. Esto puede ocurrir con plantas que son parasitarias o saprófitas. Algunas plantas son simbiontes mutualistas, epífitas o insectívoras.

Parásitos de Plantas

Una planta parasitaria depende de su hospedador para su supervivencia. Algunas plantas parasitarias no tienen hojas. Un ejemplo de ello es el dodder (Figura\(\PageIndex{4}\)), que tiene un tallo débil y cilíndrico que se arrolla alrededor del huésped y forma retoños. A partir de estos retoños, las células invaden el tallo huésped y crecen para conectarse con los haces vasculares del huésped. La planta parasitaria obtiene agua y nutrientes a través de estas conexiones. La planta es un parásito total (un holoparásito) porque es completamente dependiente de su huésped. Otras plantas parasitarias (hemiparásitos) son completamente fotosintéticas y solo utilizan al huésped para agua y minerales. Hay alrededor de 4,100 especies de plantas parasitarias.

Figura\(\PageIndex{4}\): El dodder es un holoparásito que penetra en el tejido vascular del huésped y desvía los nutrientes para su propio crecimiento. Tenga en cuenta que las vides del dodder, que tiene flores blancas, son de color beige. El dodder no tiene clorofila y no puede producir su propio alimento. (crédito: “Lalithamba” /Flickr)

Saprofitos

Un saprófito es una planta que no tiene clorofila y obtiene su alimento de la materia muerta, similar a bacterias y hongos (tenga en cuenta que los hongos a menudo se llaman saprófitos, lo cual es incorrecto, porque los hongos no son plantas). Plantas como estas utilizan enzimas para convertir los materiales alimenticios orgánicos en formas más simples a partir de las cuales pueden absorber nutrientes (Figura\(\PageIndex{5}\)). La mayoría de los saprófitos no digieren directamente la materia muerta: en cambio, parasitan hongos que digieren la materia muerta, o son micorrícicos, obteniendo finalmente fotosintato de un hongo que deriva del fotosintato de su huésped. Las plantas saprófitas son poco comunes; solo se describen algunas especies.

Figura\(\PageIndex{5}\): Los saprófitos, como esta pipa de holandés (Monotropa hypopitys), obtienen su alimento de la materia muerta y no tienen clorofila. (crédito: modificación de obra de Iwona Erskine-Kellie)

Simbiontes

Un simbionte es una planta en relación simbiótica, con adaptaciones especiales como micorrizas o formación de nódulos. Los hongos también forman asociaciones simbióticas con cianobacterias y algas verdes (llamadas líquenes). Los líquenes a veces pueden verse como crecimientos coloridos en la superficie de rocas y árboles (Figura\(\PageIndex{6}\)). El socio algal (ficobionte) elabora los alimentos de manera autotrófica, algunos de los cuales comparte con el hongo; el compañero fúngico (micobionte) absorbe agua y minerales del ambiente, los cuales se ponen a disposición del alga verde. Si uno de los compañeros se separara del otro, ambos morirían.

Figura\(\PageIndex{6}\): Los líquenes, que a menudo tienen relaciones simbióticas con otras plantas, a veces se pueden encontrar creciendo en árboles. (crédito: “benketaro” /Flickr)

Epífitas

Una epífita es una planta que crece sobre otras plantas, pero no depende de la otra planta para su nutrición (Figura\(\PageIndex{7}\)). Las epífitas tienen dos tipos de raíces: raíces aéreas aferradas, que absorben los nutrientes del humus que se acumula en las grietas de los árboles; y raíces aéreas, que absorben la humedad de la atmósfera.

Figura\(\PageIndex{7}\): Estas plantas epífitas crecen en el invernadero principal del Jardin des Plantes en París.

Plantas insectívoras

Una planta insectívora tiene hojas especializadas para atraer y digerir insectos. El atrapamoscas Venus es conocido popularmente por su modo insectívoro de nutrición, y tiene hojas que funcionan como trampas (Figura\(\PageIndex{8}\)). Los minerales que obtiene de las presas compensan los que carecen en el suelo pantanoso (pH bajo) de sus llanuras costeras nativas de Carolina del Norte. Hay tres pelos sensibles en el centro de cada mitad de cada hoja. Los bordes de cada hoja están cubiertos de espinas largas. El néctar secretado por la planta atrae moscas a la hoja. Cuando una mosca toca los pelos sensoriales, la hoja se cierra inmediatamente. A continuación, los fluidos y las enzimas descomponen la presa y los minerales son absorbidos por la hoja. Dado que esta planta es popular en el comercio hortícola, se ve amenazada en su hábitat original.

Figura\(\PageIndex{8}\): Un atrapamoscas Venus tiene hojas especializadas para atrapar insectos. (crédito: “Selena N. B. H.” /Flickr)

Resumen

El nitrógeno atmosférico es el mayor reservorio de nitrógeno disponible en los ecosistemas terrestres. Sin embargo, las plantas no pueden usar este nitrógeno porque no cuentan con las enzimas necesarias. La fijación biológica de nitrógeno (BNF) es la conversión del nitrógeno atmosférico en amoníaco. La fuente más importante de BNF es la interacción simbiótica entre bacterias del suelo y leguminosas. Las bacterias forman nódulos en las raíces de las leguminosas en las que se realiza la fijación de nitrógeno. Los hongos forman asociaciones simbióticas (micorrizas) con las plantas, integrándose en la estructura física de la raíz. A través de la micorrización, la planta obtiene minerales del suelo y el hongo obtiene fotosintato de la raíz de la planta. Las ectomicorrizas forman una extensa vaina densa alrededor de la raíz, mientras que las endomicorrizas están incrustadas dentro del tejido radicular. Algunas plantas —parásitos, saprófitos, simbiontes, epífitas e insectívoros— han evolucionado adaptaciones para obtener su nutrición orgánica o mineral de diversas fuentes.

Glosario

epífita

planta que crece en otras plantas pero que no depende de otras plantas para su nutrición

planta insectívora

planta que tiene hojas especializadas para atraer y digerir insectos

nitrogenasa

enzima que es responsable de la reducción del nitrógeno atmosférico a amoníaco

nódulos

estructuras especializadas que contienen bacterias Rhizobia donde se realiza la fijación de nitrógeno

planta parasitaria

planta que depende de su hospedador para su supervivencia

rizobia

bacterias del suelo que interactúan simbióticamente con las raíces de las leguminosas para formar nódulos y fijar el nitrógeno

saprófito

planta que no tiene clorofila y obtiene su alimento de la materia muerta

simbionte

planta en una relación simbiótica con bacterias u hongos