La fijación de nitrógeno atmosférico por las leguminosas

Los cultivos de leguminosas proporcionan una fuente importante de proteínas, carbohidratos y aceites para humanos y animales. Una de sus características únicas es su capacidad para utilizar el nitrógeno atmosférico como fuente de nutrientes.

El nitrógeno es un elemento esencial en el crecimiento y desarrollo de las plantas. Es un componente importante en los aminoácidos vegetales, ácidos nucleicos, clorofila y otras sustancias proteicas.

Aunque el nitrógeno es el gas más abundante en la atmósfera, las plantas no pueden utilizarlo de esta forma. Para que el nitrógeno atmosférico esté disponible para las plantas, primero debe reducirse a amoníaco, en un proceso llamado fijación. La fijación es un proceso biológico, llevado a cabo por especies específicas de bacterias. Los microorganismos fijadores de nitrógeno se conocen colectivamente como diazótrofos e incluyen los rizobios, azotobacter, azospirillum, Frankia alni y cianobacterias.

Nódulos fijadores de nitrógeno. Foto de: Whitney Cranshaw, Universidad Estatal de Colorado, Bugwood.org

 

Debido a su capacidad para fijar el nitrógeno atmosférico, los cultivos de leguminosas no necesitan ninguna adición de fertilizantes nitrogenados.

 

¿Cómo fijan las leguminosas el nitrógeno?

El proceso de fijación de nitrógeno implica el uso de energía (ATP) para romper los fuertes enlaces covalentes triples que forman las moléculas de dinitrógeno (N≡N, N₂). Una vez que se rompen los enlaces covalentes, el nitrógeno se activa y puede reaccionar con el hidrógeno para formar amoníaco (NH₃), que es una forma de nitrógeno que las plantas pueden utilizar. La siguiente ecuación de reducción representa la fijación biológica de nitrógeno: N₂ + 8H⁺ + 8e^– → 2NH₃ + H₂.

Este proceso es catalizado por la enzima nitrogenasa, que las bacterias fijadoras de nitrógeno producen fácilmente. Debido a que el proceso de fijación consume mucha energía, los fijadores de nitrógeno no fotosintéticos, como el rizobio, forman asociaciones con las plantas hospedadoras para obtener azúcares.

Las leguminosas forman relaciones simbióticas con bacterias no fotosintéticas conocidas como rizobios. En esta relación, las legumbres proporcionan azúcares a las bacterias, que se descomponen para liberar la energía necesaria para reducir el nitrógeno. A cambio, las bacterias rizobios fijan el nitrógeno que utilizan las leguminosas. En esta relación simbiótica, las leguminosas forman nódulos en las raíces donde las bacterias rizobios transforman el nitrógeno atmosférico en amoníaco.

Cuando las leguminosas absorben nitrógeno fijo, forman hojas verdes, ricas en clorofila. Esto mejora la capacidad fotosintética de la planta, haciendo que la planta crezca más rápido y más saludable. Cuando la planta madura y se seca, las hojas enriquecidas caen y devuelven el nitrógeno al suelo.

 

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La formación de nódulos

Cuando los rizobios interactúan con las raíces de las plantas leguminosas, desencadenan la formación de nódulos que albergan las bacterias. En leguminosas como la soja, la alfalfa y el trébol, el proceso de nodulación comienza cuando las raíces de las plantas leguminosas liberan compuestos de flavanol que atraen a las bacterias rizobios. Luego, los rizobios comienzan a unirse a los pelos readiculares de la raíz. La unión se produce en dos pasos. En primer lugar, las bacterias se unen a través de un compuesto proteico de unión al calcio (Ca²⁺), denominada Ricadhesina.

Luego, una vez que se han unido suficientes bacterias en el paso inicial, las bacterias se unen a través de lectinas o celulosa. La planta huésped notará entonces los «factores de cabeceo» liberados por la bacteria del rizobio, lo que hará que los pelos de las raíces colonizadas se entrelacen y formen una curvatura de pastor. Luego, las bacterias penetrarán en los pelos de la raíz y crearán una estructura en forma de tubo conocida como hilo de infección. Una vez que las bacterias simbióticas llegan a la raíz principal, provocan la segmentación de las células corticales que resulta en la formación de un nódulo.

 

Condiciones favorables para la fijación biológica de nitrógeno

Las enzimas nitrogenasas constan de dos compuestos proteicos solubles, los componentes I y II. El componente I (generalmente denominado proteína MoFe) consiste en hierro, molibdeno y sulfuros. El componente II, también llamado nitrogenasa reductasa, consta de hierro y sulfuros.

La nitrogenasa es sensible al oxígeno y se destruye por una alta concentración de oxígeno libre. La leghemoglobina, una proteína que contiene hierro y producida por las plantas en los nódulos de las raíces, se une al oxígeno y mantiene un nivel lo suficientemente bajo de oxígeno libre para proteger la nitrogenasa.

La investigación ha demostrado que un pH neutro y una temperatura que oscile entre 26 y 37 ° C son adecuados para una máxima fijación biológica de nitrógeno.

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