16.2G: Fijación de Nitrógeno: Interacciones Raíz

Las plantas no pueden extraer del suelo el nitrógeno necesario, por lo que forman relaciones simbióticas con los rizobios que pueden fijarlo como amoníaco.

Objetivos de aprendizaje

• Explicar el proceso y la importancia de la fijación de nitrógeno

Puntos Clave

• El nitrógeno diatómico es abundante en la atmósfera y el suelo, pero las plantas son incapaces de usarlo porque no cuentan con la enzima necesaria, la nitrogenasa, para convertirla en una forma que puedan utilizar para elaborar proteínas.
• Las bacterias del suelo, o rizobios, son capaces de realizar una fijación biológica de nitrógeno en la que el gas nitrógeno atmosférico (N ₂) se convierte en el amoníaco (NH ₃) que las plantas son capaces de usar para sintetizar proteínas.
• Tanto las plantas como las bacterias se benefician del proceso de fijación de nitrógeno; la planta obtiene el nitrógeno que necesita para sintetizar proteínas, mientras que las bacterias obtienen carbono de la planta y un ambiente seguro para habitar dentro de las raíces de la planta.

Términos Clave

• rizobios: cualquiera de diversas bacterias, del género Rhizobium, que forman nódulos en las raíces de las leguminosas y fijan nitrógeno
• Fijación de nitrógeno: la conversión del nitrógeno atmosférico en amoníaco y derivados orgánicos, por medios naturales, especialmente por microorganismos en el suelo, en una forma que puede ser asimilada por las plantas
• nódulo: estructuras que ocurren en las raíces de las plantas que se asocian con bacterias simbióticas fijadoras de nitrógeno

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 N _2, 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”. Se puede convertir en amoníaco (NH ₃) a través de procesos biológicos, físicos o químicos. La fijación biológica de nitrógeno (BNF), la conversión del nitrógeno atmosférico (N ₂) en amoníaco (NH ₃), es realizada exclusivamente por procariotas, como bacterias del suelo o cianobacterias. Los procesos biológicos aportan 65 por ciento del nitrógeno utilizado en la agricultura.

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. 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 se encuentran entre las fuentes agrícolas de proteína más importantes del mundo.

Figura: Diagrama del Ciclo del Nitrógeno: Representación esquemática del ciclo del nitrógeno. Se ha omitido la fijación abiótica de nitrógeno.

Figura: Fijación de nitrógeno en cultivos: Algunas leguminosas comestibles comunes, como (a) el maní, (b) el frijol y (c) los garbanzos, son capaces de interactuar simbióticamente con bacterias del suelo que fijan nitrógeno.

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 en lugar 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 parte del nitrógeno disponible biológicamente. 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: Rhizobia: Las raíces de soja 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 enmarcadas en (b) vesículas dentro de la célula, como se puede observar en esta micrografía electrónica de transmisión.