Rhizobium

OBJETIVOS
• Identificar que tipo de microorganismo es el Rhizobium, a que género pertenece.
• Conocer que beneficios brinda la simbiosis de este microorganismo con el sistema radicular de
plantas leguminosas.
• Aprender como se realiza la fijación biológica de nitrógeno a través de la simbiosis Rhizobium−
leguminosa.
• Determinar la formación, estructura y función de los nódulos bacterianos formados en las raíces
de las leguminosas.
• Conocer la importancia ecológica de la asociación simbiótica mencionada.
INTRODUCCIÓN
BACTERIOLOGÍA
Generalidades
Dentro de las eubacterias existen tres grupos de bacterias que pueden ser diferenciados en relación a la
estructura de la pared celular. Para poder diferenciar a estos grupos no es necesario utilizar complejos
sistemas de identificación, y basta con un microscopio óptico y unas cuantas soluciones de colorantes.
La forma más sencilla de iniciar una identificación del microorganismo que se desea estudiar es realizar una
coloración o tinción de Gram. La tinción de Gram es una tinción diferencial porque no todas las células se
tiñen de la misma manera y permite discriminar entre dos grandes grupos de eubacterias, las eubacterias Gram
positivas y Gram negativas.
Los microorganismos Gram positivos, como el Staphylococcus aureus, adquieren un color violeta después de
la coloración de Gram debido a que contienen una pared celular estructuralmente muy diferente a la de los
microorganismos Gram negativos, como la Escherichia coli, que adquieren un color rosado.
El tercer grupo de eubacterias es el de los Bacilos Ácido−Alcohol Resistentes (BAAR) que pueden ser
diferenciados utilizando la coloración de Ziehl−Neelsen. La diferencia en la coloración no se debe a
reacciones químicas con ciertos componentes de la pared sino a la estructura física de la misma.
FISIOLOGÍA BACTERIANA
Requerimientos químicos
• Carbono
Este elemento puede aportarse a los microorganismos en forma muy diversa dependiendo del tipo de
metabolismo que posean. El carbono es utilizado por los microorganismos para sintetizar los compuestos
orgánicos requeridos para las estructuras y funciones de la célula.
Los microorganismos se pueden dividir en categorías nutricionales en base a dos parámetros: naturaleza de la
fuente de energía y naturaleza de la fuente principal de carbono (Estas propiedades metabólicas fueron
seleccionadas arbitrariamente y no brinda una descripción completa de las necesidades nutricionales de un
organismo).
• Fototrofos: utilizan luz como fuente de energía.
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• Quimiotrofos: la fuente de energía es química.
• Autotrofos: utilizan como fuente de carbono al CO2 y a partir del cual sintetizan los esqueletos
carbonados de los metabolitos orgánicos.
• Heterotrofos: utilizan compuestos orgánicos como fuente de C y electrones.
Combinándose estos dos parámetros se pueden establecer cuatro categorías principales de organismos:
• Fotoautotrofos: dependen de la luz como fuente de energía y utilizan CO2 como principal fuente de
carbono. Vegetales superiores, bacterias fotosintéticas, algas eucarióticas, etc.
• Fotoheterotrofos: utilizan luz como fuente de energía y emplean compuestos orgánicos como fuente
de carbono. Algunas bacterias fotosintéticas y algas eucarióticas.
• Quimioautotrofos: utilizan CO2 como fuente de carbono y emplean fuentes de energía química
proveniente generalmente de compuestos inorgánicos reducidos (H2, S2−, NH4+, etc).
• Quimioheterotrofos: utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono y energía. Los
compuestos orgánicos también se comportan como fuente de electrones. Este grupo está integrado por
animales superiores, hongos, protozoos y la mayoría de las bacterias.
• Nitrógeno
El nitrógeno es utilizado por las bacterias para formar aminoácidos, pirimidinas, purinas, etc, y puede provenir
de fuentes diferentes.
• Asimilación de NH3 y sales de amonio: el nitrógeno es transferido con este estado de oxidación a
los aminoácidos por la vía de la glutamato/glutamina.
• Fijación de Nitrógeno: el N2 es reducido dentro de la célula a NH4+ y metabolizado.
• Reducción asimiladora de Nitratos: los nitratos son reducidos dentro de la célula por la vía de los
nitritos a NH3 y metabolizado.
• Hidrolizados proteicos: los microorganismos incapaces de asimilar el nitrógeno de sales inorgánicas,
lo obtienen a través de compuestos orgánicos nitrogenados como los hidrolizados proteicos. Estos
compuestos proteicos son a su vez hidrolizados por enzimas bacterianas, fuera de la célula, a
aminoácidos, los que después son metabolizados dentro de la célula.
• Oxígeno
Basados en los requerimientos de oxígeno molecular las bacterias se pueden dividir en 5 grupos:
• Aerobios obligados: requieren oxígeno para el crecimiento pues dependen de este elemento para
cubrir sus necesidades energéticas. El oxígeno es el aceptor final de electrones en la cadena
respiratoria.
• Anaerobios obligados: crecen en ausencia total de oxígeno porque necesitan un medio muy reductor.
Utilizan respiración anaerobia donde los aceptores finales de electrones pueden ser generalmente
SO42−, Fumarato2− o CO32−.
• Anaerobios facultativos: pueden crecer en presencia o ausencia de oxígeno. Utilizan al oxígeno
como aceptor final de electrones en la cadena respiratoria cuando está disponible, y en ausencia de
oxígeno la energía la obtienen por fermentación o respiración anaerobia (generalmente el NO3− es un
aceptor final de electrones en las enterobacterias).
• Anaerobios aerotolerantes: pueden crecer en presencia o ausencia de oxígeno, pero la energía la
obtienen por fermentación.
• Microaerofilos: sólo pueden crecer con bajas tensiones de oxígeno porque las altas tensiones son
tóxicas para este tipo de microrganismos (1 a 12% de O2 en la fase gaseosa). La energía la obtienen
por respiración aeróbica, cuando no hay aceptores electrónicos terminales alternativos, o anaeróbica.
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• Azufre
El azufre puede ingresar en la célula reducido (grupos sulfhidrilos), como sulfato (debe ser reducido dentro de
la célula para metabolizarse) o como aminoácidos azufrados. El azufre es utilizado para la síntesis de
aminoácidos azufrados como la cisteína o metionina, que tienen un papel muy importante en la estructura
terciaria de las proteínas (formación de puentes S−S) y en el sitio catalítico de enzimas.
Requerimientos físicos
• Temperatura
Todos los microorganismos tienen una temperatura óptima de crecimiento. Esto significa que a determinada
temperatura la velocidad de duplicación (o la velocidad de crecimiento poblacional) de los microorganismos
es mayor.
Hay que tener en cuenta que no todos los microorganismos crecen en el mismo rango de temperaturas:
Clasificación
Termófilos
Mesófilos
Psicrófilo
Rango
25 − 80 °C
10 − 45 °C
−5 − 30 °C
Optima
50 − 60 °C
20 − 40 °C
10−20 °C
La temperatura afecta la estabilidad de las proteínas celulares porque induce cambios conformacionales que
alteran la actividad biológica de estos compuestos, especialmente la de enzimas.
• pH
La mayoría de los microorganismos crecen en pH cercanos a la neutralidad, entre 5 y 9, cosa que no excluye
que existan microorganismos que puedan soportar pH extremos y se desarrollen. Según el rango de pH del
medio en el cual se desarrollan pueden dividirse en:
Clasificación
Acidófilos
Neutrófilos
Alcalófilos
pH externo
1.0 − 5.0
5.5 − 8.5
9.0 − 10.0
pH interno
6.5
7.5
9.5
Los microorganismos regulan su pH interno mediante un sistema de transporte de protones que se encuentra
en la membrana citoplasmática, que incluye una bomba de protones ATP dependiente.
El rango de pH óptimo para el desarrollo de los microorganismo es estrecho debido a que frente a un pH
externo muy desfavorable se requiere un gran consumo de energía para mantener el pH interno.
FACTORES DE CRECIMIENTO
Son compuestos orgánicos que el microorganismo es incapaz de sintetizar a partir de los nutrientes y son
fundamentales para la maquinaria metabólica de la célula. Son vitaminas, aminoácidos, purinas, pirimidinas,
etc.
En relación al requerimiento de factores de crecimiento los microorganismos se pueden dividir en:
• Protótrofos: microorganismos que sintetizan sus propios factores de crecimiento.
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• Auxótrofos: microorganismos que requieren una fuente exógena de factores de crecimiento debido a
que son incapaces de sintetizarlos.
Iones Inorgánicos
Son esenciales para el crecimiento porque estabilizan los compuestos biológicos como enzimas, ribosomas,
membranas, etc. Los iones requeridos para el crecimiento bacteriano son aportados en el medio a través de
sales que contienen K+, Mg2+, Mn2+, Ca2+, Na+, PO43−, Fe2+, Fe3+ y trazas de Cu2+, Co2+ y Zn2+.
Actividad de Agua
El agua es el solvente en donde ocurren las reacciones químicas y enzimáticas de la célula y es indispensable
para el desarrollo de los microorganismos.
La actividad de agua (aW) del medio representa la fracción molar de las moléculas de agua totales que están
disponibles, y es igual a relación que existe entre la presión de vapor de la solución respecto a la del agua pura
(p/po). El valor mínimo de aW en el cual las bacterias pueden crecer varía ampliamente, pero el valor óptimo
para muchas especies es mayor a 0.99. Algunas bacterias halófilas (bacterias que se desarrollan en altas
concentraciones de sal) crecen mejor con aW = 0.80.
Variaciones en la actividad de agua puede afectar la tasa de crecimiento, la composición celular y la actividad
metabólica de la bacteria, debido a que si no disponen de suficiente cantidad de agua libre (no asociada a
solutos, etc) en el medio necesitaran realizar más trabajo para obtenerla y disminuirá el rendimiento del
crecimiento.
Potencial de Oxido−Reducción
El Potencial de Oxido−Reducción es una medida de la tendencia del medio a donar o recibir electrones. Es
crítico para el crecimiento de los microorganismos y generalmente está asociado con la presencia de oxígeno
molecular disuelto en el medio el cual es muy oxidante. En medios que contienen oxígeno, en condiciones
similares a las atmosféricas, el potencial redox varía entre 0,2 y 0,4 Voltios. Los anaerobios estrictos necesitan
una atmósfera sin oxígeno pues deben crecer en medios reductores donde el potencial no sea mayor a −0,2
Voltios. Sin embargo, potenciales redox positivos creados por la presencia de otras sustancias químicas no
afectan el crecimiento de los anaerobios más estrictos, aunque muchos anaerobios estrictos son inhibidos por
potenciales mayores a −0.100 mV.
Ciclo de crecimiento
Un cultivo bacteriano simple y homogéneo tiene un ciclo de crecimiento como el que se representa a
continuación.
Este ciclo tiene una morfología y una división de células asincrónica. Se divide en cuatro fases:
• Fase de Latencia: Es la fase de adaptación al medio, existe aumento de la masa celular pero no hay
aumento en el número de células.
• Fase de Crecimiento Exponencial: Es la fase donde se produce un incremento exponencial del
número de microorganismos.
• Fase Estacionaria: Es la fase a la que se llega cuando se ha agotado la fuente de energía.
• Fase de Muerte: Es la fase que se caracteriza por una disminución exponencial del número de
microorganismos.
La fase de latencia puede ser inducida por un rápido cambio en las condiciones del cultivo. En un medio
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fresco, el largo de la fase de latencia va a depender del tamaño del inóculo, de la edad del inóculo, y de los
cambios en la composición y concentración de los nutrientes que experimenten las células.
Un pequeño volumen de inóculo transferido a un gran volumen de medio fresco va a producir una salida por
difusión de iones, vitaminas y cofactores que son indispensables para la actividad de muchas enzimas
intracelulares. Si las células provenientes de un medio rico son inoculadas en un medio mínimo, el tiempo de
latencia puede estar afectado por el tamaño del inóculo como un resultado de los nutrientes remanentes del
medio original.
La edad del inóculo va a influir en el tiempo de latencia en el medio fresco debido a la acumulación de
materiales tóxicos y a la falta de nutrientes esenciales dentro de la célula durante el crecimiento anterior.
En general, inóculos viejos alargan la fase de latencia.
Cambios en la composición y concentración de nutrientes entre el cultivo del inóculo y el medio fresco
pueden desencadenar el control y la regulación de la actividad enzimática dentro de las células o la
diferenciación morfológica, como la formación de esporas. Si las células son transferidas de un medio simple
a un medio rico, se van a necesitar más tiempo y nutrientes para incrementar la concentración de enzimas
necesarias para el metabolismo.
Microorganismos Fijadores de Nitrógeno: Familia
Rhizobiaceae
La revolución verde de los años sesenta trajo un notable incremento de la producción agrícola, gracias, sobre
todo, al empleo generalizado de abonos químicos y semillas mejoradas. Pero el fertilizante nitrogenado, el
más utilizado en agricultura, se lleva buena parte de la inversión en el campo. Para la fabricación de
fertilizantes nitrogenados se requiere en general energía derivada de¡ petróleo. Por otro lado, su uso
indiscriminado ha ocasionado graves problemas de contaminación, ya que no todo el fertilizante que se aplica
lo aprovecha la planta; en una cuantía importante acaba en lagos y lagunas.
La fijación biológica de nitrógeno es la opción alternativa y natural de la fertilización química. De todos los
seres vivos, sólo un centenar de géneros de bacterias están capacitados para fijar nitrógeno del aire, donde este
elemento constituye alrededor del 70%, y convertirlo en compuestos asimilables por todos los organismos.
Entre las especies fijadoras de nitrógeno hay cianobacterias (Anabena y Nostoc, por ejemplo), arqueobacterias
(Methanococcus), bacterias grampositivas (así, Frankia y Clostridium), enterobacterias (Klebsiella) y otras
proteobacterias (Rhizobium, Azospirillum y Acetobacter, entre varias).
En la fijación biológica de nitrógeno el mundo orgánico halla su fuente principal de abastecimiento en dicho
elemento. Si se suspendiera el proceso de fijación, todo el nitrógeno retenido en la biomasa regresaría a la
atmósfera en 100 años. De poder fijar nitrógeno, el hombre no necesitaría ingerir proteínas. Pero la ambición
de los científicos no es que el hombre fije nitrógeno, sino que los cultivos altamente extractivos de nutrientes
del suelo puedan prescindir del uso de fertilizantes mediante la fijación biológica de nitrógeno.
En la naturaleza ya existen plantas que aprovechan la fijación de nitrógeno realizada por bacterias que se
asocian con los vegetales. Ocho familias de plantas emparentadas entre sí gozan de la capacidad para
asociarse en simbiosis con bacterias fijadoras de nitrógeno. Las plantas en cuestión alojan a las bacterias en
estructuras especiales que se forman en sus raíces; en los nódulos, nombre de esas estructuras, las bacterias
fijan el nitrógeno.
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Individuos de los géneros Rhizobium. Bradyrhizobium y Azorhizobium penetran en las raíces y a veces en los
tallos de las leguminosas, mientras que Frankia y otros actinomicetos son las responsables de la fijación de
nitrógeno en Casuarina y otras especies.
Las leguminosas se cuentan entre las familias más numerosas, con unas 19.000 especies distribuidas por
ambientes muy dispares. Se admite que deben tamaño éxito adaptativo a su capacidad para fijar nitrógeno, lo
que les permite colonizar suelos pobres en nutrientes. Pero no todas las especies están capacitadas para formar
nódulos; tampoco se sabe cuántas establecen simbiosis. Las más conocidas son las que tienen valor comercial
y alimentario para el ser humano o para el ganado, como el fríjol, la soja, el chícharo, la lenteja, el haba y la
alfalfa. Todas ellas fijan nitrógeno atmosférico al establecer simbiosis con Rhizobium y otros géneros
emparentados.
En comparación con el gran número de leguminosas, sólo se han identificado unas 15 especies de Rhizobium,
tres de Bradyrhizobium y una de Azorhizobium, Por eso se sospecha que debe de haber una cifra elevada de
especies de estas bacterias por describir. Los individuos de los géneros citados moran en el suelo y habitan en
las zonas geográficas donde existe la planta con la que establecen simbiosis. En China, por ejemplo, hay una
gran diversidad de bacterias capaces de nodular en la soja, pues ésta es originaria de Asia; mientras que en
México no hay simbiontes de soja y sí una extensa variedad de Rhizobium simbiontes de fríjol, ya que éste es
nativo de la región.
El estudio de las poblaciones de bacterias fijadoras de nitrógeno de fríjol de México y de Sudamérica nos
llevó a proponer dos nuevas especies de Rhizobium. A una de ellas la llamamos R. efli, porque "etl" significa
fríjol en náhuatl, y a la otra la denominamos R. tropici, por la región donde medra. R. efli también se
encuentra en los lugares donde se ha introducido el fríjol, en España por ejemplo. Hemos hallado R. effl en las
semillas de fríjol, lo que induce a suponer la existencia de un posible mecanismo de dispersión geográfica del
Rhizobium conjuntamente con fríjol en tiempos históricos.
Dentro de una misma especie de Rhizobium observamos un grado de diversidad amplísimo.
Proporcionalmente, la disparidad entre bacterias pudiera compararse con la distancia que separa al hombre de
la gallina. La investigación de campo realizada en Nueva Zelanda sugiere un modelo explicativo sobre cómo
pudo aumentar la diversidad de especies de Rhizobium. En su trabajo experimental, los investigadores
añadieron al suelo (como inoculante) bacterias de Rhizobium
loti (ahora reclasificado como Mesorhizobium) para nodular en la planta Lotus, ya que en esos campos no
había bacterias simbiontes de Lotus. El resultado fue toda una sorpresa: al recuperar las bacterias de los
nódulos observaron que los aislados no correspondían con la bacteria introducida. La información genética
para la simbiosis con Lotus se había transferido de la bacteria inoculada a distintas bacterias existentes en ese
suelo. De ese modo se reclutaron nuevos tipos de Mesorhizobium con capacidad para nodular Lotus.
Por nuestra parte, hemos comprobado que, en suelos de México, las R. efli que carecen de capacidad para
nodular y fijar nitrógeno en fríjol abundan más que las bacterias simbióticas, Creemos que esa capacidad
puede, en condiciones naturales, transferirse entre estas bacterias. Por otro lado, la diversidad genética
bacteriana tendría que ver con la manifiesta habilidad para sobrevivir y adaptarse a distintas condiciones de
suelo y clima, así como para acoplarse a las variaciones que también existen dentro de las plantas de una
misma especie.
Gracias a la diversidad intraespecífica que ofrecen Rhizobium y Bradyrhizobium se ha dispuesto de un acervo
valioso para seleccionar las mejores cepas. Se han logrado así linajes óptimos para la fijación del nitrógeno,
en cuanto han colonizado campos de cultivo. Buena parte del éxito de la producción de soja en Brasil
(segundo productor mundial) hemos de atribuirlo al empleo de cepas de Braidyrhizobium que alcanzan
máximo rendimiento en simbiosis.
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En Brasil no hay simbiontes naturales de soja, por eso, la inoculación de bacterias del género Bradvrhizobium
permitió el aprovechamiento de la fijación de nitrógeno en los cultivos de soja cuando éste se introdujo en ese
país. En México, por el contrario, los experimentos de inoculación del fríjol han sido poco exitosos debido a
un problema espinoso, La población nativa de Rhizobiuin efli, extensa, diversa y altamente competitiva,
impide que las cepas introducidas como inoculante formen nódulos. Para resolver esta dificultad, varios
grupos de distintos países, abordaron el estudio de la competencia de Rhizobium para crear nódulos.
Descripción general de la simbiosis de Rhizobium
Los Rhizobium son bacterias Gram negativas y aerobias obligadas que pertenecen a la familia Rhizobiaceae.
Entre ellos se encuentran los géneros Rhizobium, Bradyrhizbium y Azorhizobium. Estos microorganismos del
suelo forman una asociación simbiótica con distintas especies de plantas y durante la simbiosis son capaces de
llevar a cabo la fijación de nitrógeno molecular. En la simbiosis las bacterias se encuentran en las raíces de las
plantas dentro de estructuras llamadas nódulos. Ni la plantas ni estas bacterias aisladamente fijan el nitrógeno
diatomico (N2) para convertirlo en amonio.
La simbiosis es inhibida si existe un exceso de nitrato o amiono en el suelo. Dentro de los nódulos las
bacterias se convirten en bacteroides que son células más grandes que los Rhizobium que se encuentran en el
suelo y que llevan a cabo la fijación de nitrógeno porque son capaces de formar la enzima nitrogenasa que es
reponsable de la conversión del nitrógeno molecular en amonio. Debido a esta simbiosis, la planta recibe
nitrógeno que puede utilizar para si misma, mientras que las bacterias utilizan moléculas que les proporciona
la planta.
Existen muchos genes de rhizobium característicos de la simbiosis como por ejemplo los genes nod, nol, nif y
fix. Los nódulos aparecen rojos por causa de una proteína llamada leghemoglobina. Después de la fase de
fijación de nitrógeno, el color del nódulo llega a ser verde debido a la conversión de leghemoglobina en
biliverdina.
Leghemoglobina protege a la nitrogenasa de los altos niveles de oxígeno y evitar la inactivación de esta
enzima. Cada tipo de Rhizobium tiene espectro específico de plantas con las que es capaz de formar nódulos.
Por ejemplo, Bradyrhiobium japonicum forma una simbiosis con Glycine max, Rhizobium leguminosarum bv.
viciae con Pisum sativum o Vicia faba, Rhizobium (Sinorhizobium) meliloti con Medicago sativa y
Azorhizobium caulinodans con Sesbania rostrata. Azorhizobium caulinodas es capaz de fijar nitrógeno
también fuera de su planta hospedadora.
La simbiosis
Solamente las leguminosas son capaces de utilizar el nitrógeno en forma de nitrato o amonio para la síntesis
de compuestos nitrogenados como los aminoácidos. En la simbiosis con los Rhizobium se forman nódulos
rizoidales, en los cuales las bacterias simbióticas fijan el nitrógeno atmosférico que proporcionan a la planta.
Por eso, en presencia de estas bacterias simbióticas las leguminosas pueden crecer en suelos que no tienen
suficiente nitrato o amonio para un desarrollo normal de la planta. Por esta razón los Rhizobium pueden ser
utilizados como inoculantes para mejorar el crecimiento de leguminosas en lugar de abonos. Por otro lado, las
bacterias utiliza moléculas de la planta y de esta forma, ambos "socios" tienen una ventaja de la simbiosis.
Nodulación en leguminosas
Todos los organismos vivos necesitan de una fuente nitrogenada para poder crecer, dado que muchos de los
principales compuestos celulares, como las proteínas y ácidos nucleicos, contienen en su estructura nitrógeno.
Dada la gran variedad de seres vivos que existen en la naturaleza, existen diferentes compuestos nitrogenados
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que los diferentes organismos son capaces de asimilar, para el caso de las plantas la fuente de nitrógeno que
pueden utilizar es el amonio (NH4+) y el nitrato (NO3−), o sea compuestos nitrogenados inorgánicos. Para el
caso de los animales superiores además de requerir amonio, requieren de compuestos nitrogenados orgánicos,
como aminoácidos o bases nitrogenadas.
Es importante decir que todos los compuestos nitrogenados provienen del nitrógeno molecular (N2), que
representa el 80% de los gases que forman la atmósfera terrestre. Solo existen unos organismos capaces de
asimilar el N2, estos organismos son bacterias que se conocen con el nombre de bacterias nitrificantes o
fijadoras de nitrógeno. Los demás organismos de la naturaleza no pueden asimilar el N2 de la atmósfera y por
lo tanto para adquirir el nitrógeno que necesitan dependen del metabolismo de las bacterias nitrificantes para
tener una fuente nitrogenada. Las plantas y demás organismos son incapaces de asimilar el nitrógeno en forma
molecular, excepto por las bacterias nitrificantes que por medio de su metabolismo toman el N2 de la
atmósfera y lo convierten en amonio por medio de la enzima nitrogenasa y la hidrolisas del ATP. Ya estando
en forma de amonio o nitrato el nitrógeno puede ser utilizado por las plantas.
Las bacterias nitrificantes o fijadoras de nitrógeno se acoplan con un numero significativo de especies
vegetales en una relación que llaman simbiosis (relación entre dos especies donde ambas reciben un beneficio,
pero no es absolutamente indispensable para la sobrevivencia de alguna de las especies), o sea que algunas
especies de plantas se asocian en relación simbiótica con las bacterias nitrificantes. Las plantas que se asocian
con las bacterias nitrificantes son las llamadas leguminosas y las bacterias fijadoras de nitrógeno son del
genero Rhizobium. Las bacterias del genero Rhizobium son habitantes naturales del suelo que infectan las
raíces de ciertas leguminosas. Al Llevar a cabo esta infección, se desarrollan unas estructuras en el sistema
radicular de las plantas llamadas nódulos, donde viven las bacterias y fijan nitrógeno.
La especie a la que pertenece un cierto Rhizobium se define por la especie de la planta que nodula y en la que
es capaz de fijar nitrógeno. El nódulo es una estructura situada en el sistema radicular de la planta, formada
por tejido de la planta. Algunas de las células que lo constituyen contiene bacterias englobadas en membranas
dentro de su citoplasma, estas bacterias atraviesan un proceso de diferenciación y es precisamente la forma
diferenciada (bacteroide) la que fija nitrógeno. El bacteroide es mayor que la bacteria, posee una forma
irregular y se muestra mas sensible a cambios de presión osmótica.
El nódulo viene a ser un órgano de la leguminosa encargado de fijar y asimilar nitrógeno para la planta, y la
planta le proporciona al nódulo (al nódulo y a las bacterias que están en su interior) carbohidratos producto de
la fotosíntesis. Se ha establecido que la información genética que determina que Rhizobium sea capaz de
infectar específicamente una leguminosa y fijar nitrógeno en asociación con ella esta codificada en cierta
molécula de AND extracromosómica conocidas como plasmidios. A cada especie de leguminosa le
corresponde un Rhizobium especifico, Por ejemplo al trébol lo nodula el Rhizobium trifolii.
La especificidad del Rhizobium que nodula una leguminosa esta determinado en el código genético y se dice
que por la presencia de un plasmidio en el ADN, plasmidio que se trasmite a la bacteria o por conjugación del
Rhizobium especifico. En resumen se puede decir que el Rhizobium promueve la realización de la simbiosis
con la planta, pegándose a su sistema radicular con el objeto de conseguir energía para metabolizar, pero se
encuentra con que la planta hospedera le da la contra orden al Rhizobium de que si este me da nitrógeno en
forma de amonio yo le dono su energía para metabolizar.
Reconocimiento entre planta y Rhizobium
Las raíces de plantas forman exudados que inducen la expresión de genes rhizobiales que son característicos
para el comienzo de la simbiosis. Uno de esos factores son flavonoides que producen una interacción con la
proteina codificada por el gen nodD. La proteina NodD y las substancias flavonoides forman parte del
reconocimiento hospedador−específico debido a que no todos los flavonoides pueden interactuar con una
NodD de una especie bacteriana dada. Después, las proteinas codificadas por los genes nod catalizan la
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formación de los metabolitos nod. Esos son oligómeros de N−acetil glucosamina con algunas alteraciones
químicas.
Invasión
La invasión de las plantas se lleva a cabo por los pelos radiculares. Las bacterias inducen una curvación de
esos pelos mediante el contacto con la planta y la producción de metabolitos nod. Las bacterias invaden las
plantas mediante el desarrollo de canales de infección, por lo que se forman túneles transcelulares. Durante la
penetración, y la simbiosis, las bacterias no quedan alojadas directamente dentro del citoplasma de las células
de la planta hospedadora, sino que permanecen alojadas en "vesículas" rodeadas por una membrana derivada
de la membrana citoplasmática de la célula de la planta.
Nitrogenasa
La nitrogenasa es el enzima responsable de la reducción de nitrógeno atmosférico a amonio en la simbiosis
entre Rhiozbium y leguminosa. Se compone de las proteinas NifH, NifD y NifK. La nitrogenasa contiene dos
proteinas NifD y dos proteinas NifK. Esas cuatro proteínas forman la dinitrogenasa. Además, la nitrogenasa
contiene dos proteinas NifH. Esas sirven como reductasa de la dinitrogenasa. La mayoría de las nitrogenasas
contienen un cofactor con Fe y Mo. Sin embargo, hay también nitrogenasas que carecen de Mo y contienen
Fe o V por ejemplo. Para la reducción del nitrógeno, se transportan electrones de la reductasa de la
dinitrogenasa a la dinitrogenasa y finalmente al nitrógeno. El amonio formado durante la fijación del
nitrógeno es proporcionado a la planta en forma de aminoácidos.
Hidrogenasa
Esta proteína no es sintetizada por todas las especies de la familia Rhizobiaceae y cataliza la reacción de
oxígeno con el hidrógeno formado durante la fijación del nitrógeno. De esta forma reduce la concentración del
hidrógeno y del oxígeno dentro del nódulo. Existen especies de Rhizobium que tienen la posibilidad de utilizar
la energía que resulta de esa reacción para formar ATP.
Leghemoglobina
Leghemoglobina es una proteína que contiene una porción hemo. La subunidad hemina es formada por las
bacteroides, mientras que la globina es formada por la planta. Leghemoglobina es responsable del color rojo
de los nódulos activos. Sirve para limitar la concentración de oxígeno dentro del nódulo. De esta forma los
bacteroides reciben suficiente oxígeno para sobrevivir y se evita que la nitrogenasa que puede ser inactivada
por el oxígeno.
Genes nod
Se diferencian en genes comunes de nodulación, nodA, nodB y nodC, y en genes nod que son
hospedador−específicos. Existe una regulación de los genes de la fijación de nitrógeno a base al gen nodD. El
producto de este gen interactúa con los flavonoides característicos producidos por la planta hospedadora y por
eso es responsable de la especificad de las simbiosis. Debido a la interacción con los flavonoides de la planta,
la proteína NodD activa la transcripción de genes, que por su parte tienen una "caja de nodulación". Esta se
encuentra en la región donde está el promotor de los genes regulados por nodD. La expresión de estos genes
es específica para la simbiosis.
Regulación de la expresión de los genes simbióticos
El sistema FixLJ, NifA y RpoN en Rhizobium meliloti (Sinorhizobium meliloti) tiene un sistema de regulación
de expresión de genes en relación a la concentración de oxígeno. Las proteínas FixL y FixJ tienen un papel
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importante en esta regulación. FixL se autofosforiliza y es capaz de transferir el fosfato a FixJ. En caso de
baja concentraciónde oxígeno, se aumenta la concentración de FixJ fosforililada dentro de la célula. La
proteína FixJ fosforililada activa los genes nifA y otros genes. NifA es un regulador positivo de los genes
necesarios para la fijación de nitrógeno. Un factor sigma necesario para la trascripción eficaz de muchos
genes simbióticos es el RpoN.
CONCLUSIONES
• Se determinó que el Rhizobium es una bacteria que forma nódulos con las leguminosas y fijan
nitrógeno atmosférico.
• Los nódulos son estructuras que se forman en las raíces de las leguminosas, alojan a las bacterias en
su interior. En estas estructuras las bacterias se trasforman en bacteroides, que son los encargados de
fijar el nitrógeno atmosférico.
• El bacteroide es mayor que la bacteria, posee una forma irregular y se muestra mas sensible a cambios
de presión osmótica
• Además los bacteroides llevan a cabo la fijación de nitrógeno porque son capaces de formar la
enzima nitrogenasa que es responsable de la conversión del nitrógeno molecular en amonio.
• No todas las especies de leguminosas forman simbiosis con Rhizobium. Las más conocidas son las
que tienen valor comercial y alimentario para el ser humano o para el ganado, como el fríjol, la soja,
el chícharo, la lenteja, el haba y la alfalfa.
• La fijación biológica del nitrógeno es una biotecnología agrícola respetuosa con el medio ambiente y
representa una alternativa a la fertilización nitrogenada, evitando la contaminación de suelos y aguas
por nitratos.
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