Ecología microbiana del suelo Interacciones clave donde participan mo. Fijación de Nitrógeno, Micorrizas. Clase 15 Microbiología Ambiental 2016 rizósfera Zona de influencia de las raíces: -mayor abundancia de organismos -influencia estructura del suelo -zona de grandes interacciones A=Ameba predando sobre bacterias BL= Bacterias limitadas BU= Bacterias no limitadas RC= carbono derivado de las raíces SR=Células de pelos radiculares F= hifa de hongo N=Nematodo Fijación Biológica de Nitrógeno Fijación de Nitrógeno: combinación de nitrógeno molecular (N2) con oxígeno o hidrógeno para formar compuestos pueden incorporarse por los seres vivos -Fijación química (natural por descargas, combustión o artificial durante síntesis de fertilizantes) -Fijación biológica (proceso mediado exclusivamente por microorganismos) Anualmente se fijan 250 millones de toneladas de N, 150 son por FBN Fijación Biológica de Nitrógeno • Utilización de N2 (gas) como fuente de nitrógeno para biosíntesis • Proceso exclusivamente procariota (bacs y arqueas) • En el ambiente el N suele ser limitante, la fijación confiere ventajas Bacterias fijadoras de Nitrógeno (Rappé & Giovannoni, 2003) Fijación de Nitrógeno Fijación de Nitrógeno Fijación de Nitrógeno Reducción de N2 a NH3 Catalizada por el complejo nitrogenasa Consume mucha energía, el triple enlace es muy estable, el N2 es muy inerte Fijación de Nitrógeno dinitrogenasa reductasa Co-factor Hierro- Molibdeno (FeMo-co) dinitrogenasa Fijación de Nitrógeno La fijación es de naturaleza muy reductora, el O2 inhibe el proceso La dinitrogenasa reductasa es inactivada de forma rápida e irreversible Fijación Biológica de Nitrógeno en simbiosis planta-mo Un poco de historia… -siglo XVI Leonhard Fuchsius dibujó leguminosas noduladas -siglo XVII, Malpighi observó nódulos en raíces de judía (Phaseolus vulgaris) y de haba (Vicia faba) -fin del siglo XIX Woronin detectó la presencia de bacterias en nódulos de lupino y alisos. Frank demostró que en suelos quemados no se producían nódulos (Frank B., 1879) Hellriegel y Wilfarth , demostraron en varias leguminosas el requerimiento de una infección previa para la formación del nódulo (Hellriegel H. y Wilfarth H., 1888). Beijerinck corroboró la necesidad de una infección bacteriana para la formación del nódulo infectando plantas de Vicia faba con cultivos puros procedentes de nódulos de dicha leguminosa (Beijerinck M.W., 1888). Fijación Biológica de Nitrógeno en simbiosis planta-mo Rizobiáceas: Familias Rhizobiaceae, Phyllobacteriaceae, Hyphomicrobiaceae y Bradyrhizobiaceae Sólo algunos géneros fijan N: Rhizobium, Sinorhizobium, Meshorizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium y Allorhizobium Fijación Biológica de Nitrógeno en simbiosis planta-mo Las rizobiáceas no pueden generar un ambiente anaerobio o microaerobio. tienen que estar en inmediaciones de plantas de la familia de las Fabáceas e interactuar con ellas originando el nódulo simbiótico Pasos para la formación de los nódulos 1) Intercambio de señales químicas entre la planta y el microorganismo. 2) Activación del ciclo celular en células del córtex e iniciación del nuevo órgano en la planta. 3) Infección por parte de la bacteria, formación del canal de infección e invasión de los tejidos recién formados. 4) Diferenciación de la bacteria a forma especializada. Pasos para la formación de los nódulos 1) Intercambio de señales de naturaleza química entre la planta y el microorganismo. -Las raíces de las plantas excretan flavonoides -Los rizobios son atraídos y se mueven hacia las raíces -A concentraciones más altas, los flavonoides activan en los rizobios los genes nod Flavonoide derivado del 2–fenil–1,4– benzopirona Pasos para la formación de los nódulos 1) Intercambio de señales de naturaleza química entre la planta y el microorganismo. -Los genes nod codifican para los factores nod -factores nod son lipoquitooligosacáridos (LCOs) compuestos por un esqueleto de N–acetil–D–glucosamina unidos por enlaces β–1,4 -presentan diferencias dependiendo de la cepa de Rhizobium otorgando especificidad al proceso de nodulación Pasos para la formación de los nódulos 2) Activación del ciclo celular en células del córtex e iniciación del nuevo órgano en la planta. -Los factores nod disparan la deformación de los pelos radiculares (activan división celular) Pasos para la formación de los nódulos 3) Infección por parte de la bacteria, formación del canal de infección e invasión de los tejidos recién formados. -Rol de eps para unión a raíz -liberación de moléculas por parte de la planta y las bacterias -control de la planta Pasos para la formación de los nódulos 3) Infección por parte de la bacteria, formación del canal de infección e invasión de los tejidos recién formados. Pasos para la formación de los nódulos 4) Desarrollo del nódulo y Diferenciación de la bacteria a forma especializada Nódulos determinados e indeterminados Pasos para la formación de los nódulos 4) Desarrollo del nódulo y Diferenciación de la bacteria a forma especializada Zona I o meristemática: células en proliferación. Zona II o de invasión: invasión bacteriana a través de los canales de infección Zona de prefijación: las células vegetales, que aún no han finalizado su diferenciación Interzona II y III: en esta franja, las células vegetales finalizan su proceso de diferenciación. Leghemoglobina Zona III o de fijación: región totalmente diferenciada en la que se realiza la fijación de nitrógeno propiamente dicha. Simbiosomas Zona IV o de senescencia: región en la base del nódulo, comprendida por células vegetales y bacterianas en degradación Pasos para la formación de los nódulos 4) Desarrollo del nódulo y Diferenciación de la bacteria a forma especializada Zona II o de invasión: Los rizobios en esta zona aún poseen una forma cilíndrica y pueden dividirse: bacteroides tipo 1. Zona de prefijación: las células vegetales están repletas de bacteroides de tipo 2 más alargados que los de tipo 1. Interzona II y III: Bacteroides de tipo 3 los cuales presentan su tamaño final definitivo, así como una heterogeneidad citoplasmática característica. Zona III o de fijación: simbiosomas con bacteroide de tipo 4 con una estructura en forma de “Y” o de “T” y con una heterogeneidad citoplasmática notable, indicativa de su maduración en forma fijadora de nitrógeno. Pasos para la formación de los nódulos 4) Desarrollo del nódulo y Diferenciación de la bacteria a forma especializada En un simbiosoma se pueden distinguir los siguientes componentes: 1) Membrana peribacteroidea. Bomba de protones, intercambio de amonio y sustratos carbonados 2) Fluido peribacteroideo. Propiedades líticas, si falla intercambio, muere el simbiosoma! 3) Bacteroide Intercambio mo-planta -Los bacteroides dependen de la planta p obtener la energía y enecesarios p reducción -el amonio producido pasa a la planta como glutamina y otros comp. nitrogenados Importancia ambiental y económica de la FBN La fijación de nitrógeno presenta un gran interés económico y ecológico. -Práctica de rotación de cultivos. -Las altas producciones de soja a nivel mundial son debidas a este proceso a través de la aplicación de inoculante microbianos de calidad. -Se da en todos los hábitats, es parte del ciclo biogeoquímico del nitrógeno, recupera para la biosfera el que se pierde por desnitrificación (y otros mecanismos). -FBN un tema de intensa investigación a lo largo de los años. Importancia ambiental y económica de la FBN Ej simbiosis muy efectiva: Bradyrhizobium japonicumsoja (70% del N es asimilado por la planta) En Brasil se usa como inóculo sin usar fertilizantes industriales, 2do productor de soja a nivel mundial Importancia ambiental y económica de la FBN Otros ej. Actinorrizas, importantes en árboles, reforestación En gramíneas es reto biotecnológico (Azospirillum) no nódulos Otros endofitos (ej Azoarcus) en plantas forrajeras Acetobacter en caña de azúcar Nasas alternativas, ej no inactivadas por O2 Micorrizas 4 cm Simbiosis entre un hongo (mycos) y las raíces (rhizos) de una planta. la planta recibe del hongo nutrientes minerales y agua, y el hongo obtiene de la planta hidratos de carbono y vitaminas Se estima que la enorme mayoría de las plantas terrestres presentan micorrizas de forma habitual. Aglaophyton major Micorrizas raíces de plantas leñosas de las familias Pinaceae, Fagaceae (ej roble, castaño), Nothofagaceae (cohiue), Myrtaceae (ej Eucaliptus) y Dipterocarpaceae + hifas de hongos de los filos Basidiomycota, Ascomycota y Glomeromycota. Clasificación de Micorrizas Ectomicorrizas: las hifas del hongo no penetran en el interior de las céluas de la raíz, sino que se ubican sobre y entre las separaciones de éstas. Forman manto externo visible. Endomicorrizas. no hay manto externo que pueda verse a simple vista. Las hifas se introducen inicialmente entre las células de la raíz, pero luego penetran en el interior de éstas Micorrizas Ectomicorrizas -Al inicio de la colonización el hongo forma un manto que rodea el ápice de la raíz; luego otras hifas penetran el espacio entre las células radiculares, formando lo que se conoce como red de Hartig. -en la red de Hartig se lleva a cabo el intercambio de nutrientes, minerales y agua. Clasificación de Micorrizas Endomicorrizas Vesículoarbusculares: son la mayoría, forman las hifas en el interior de las células forman vesículas alimenticias y arbúsculos. Orquidoides o micorrizas de ovillo: Micorrizas de orquídeas, imprescindibles para su desarrollo y vida juvenil. En estado adulto, la planta puede llegar a independizarse del hongo en algunos casos. Ericoides: tipo más sencillo y simple. Penetra en las células para formar ovillos. . Clasificación de Micorrizas Ectoendomicorrizas: presentan manto externo, pero también penetran en el interior de las células. No existen vesículas ni arbúsculos. Se observan tanto en Basidiomycota como Ascomycota y son más abundantes en angiospermas que en gimnospermas. Poco específicas -Arbutoides: manto externo y penetración en las células, donde forman rulos. -Monotropoides: la forma de penetración en las células es algo diferente. Infección -se supone que está mediada por señales químicas (flavonoides, fitoalexinas, CO2) -la distribución y velocidad de crecimiento del hongo es regulada por los canales de aire del parénquima. -Poco específica -La infección de la raíz por el hongo se produce a partir de esporas y trozos de hifas presentes en el suelo. Infección Las hifas se ramifican en la vecindad de la raíz hospedante, en respuesta a exudados El paso siguiente es la formación del apresorio entre las células. Son necesarias señales bioquímicas y o topográficas sobre la superficie de la raíz. La penetración de la célula se lleva a cabo por la producción localizada de enzimas hidrolíticas de pared, ayudadas por la presión ejercida por el ápice hifal. Intercambio de nutrientes -La movilización de nutrientes hacia la planta se puede dar por vía enzimática que le permite al hongo utilizar nitrógeno orgánico y fósforo, o por la liberación de ácidos orgánicos movilizando calcio, magnesio y potasio, entre otros. -Las hifas excretan ácido oxálico y carbónico que ayudan a desgastar las superficies rocosas; además el diámetro que presenta el ápice de una hifa le permite explorar zonas donde la planta normalmente no llega -En algunos casos las plantas se benefician digiriendo el hongo y aprovechando sus productos. Intercambio de nutrientes Mecanismo de absorción del P: -En el suelo, la concentración de ortofosfato inorgánico soluble es menor que todos los otros nutrientes (0.01- 2 mM) y la concentración interna en las células vegetales oscila alrededor de 5 mM -el fosfato debe llegar a la hifa en contra de un gradiente de 1.000 a 10.000. -Translocación del P: el P se acumula en el interior del hongo bajo la forma de polifosfatos (osmóticamente inactivo). El polifosfato insoluble mantiene una concentración interna baja de P, y posibilita que las hifas continúen absorbiendo P del suelo. Luego se transloca como gránulos por la corriente citoplásmica o podría acumularse, tanto en las hifas, como en los arbúsculos, este proceso es de transporte pasivo. Finalmente la transferencia del fósforo a la planta es a través de los arbúsculos. Ellos poseen fosfatasas que degradan los polifosfatos a formas solubles. Intercambio de nutrientes Efectos sobre la planta -es capaz de explorar más volumen de suelo del que alcanza con sus raíces, al sumársele las hifas del hongo - c apta con mayor facilidad ciertos elementos (fósforo, nitrógeno, calcio y potasio) y agua del suelo. - La protección brindada por el hongo hace que, la planta sea más resistente a los cambios de temperatura y la acidificación del suelo derivada de la presencia de azufre, magnesio y aluminio. - algunas reacciones fisiológicas del hongo inducen a la raíz a mantenerse activa durante más tiempo que si no estuviese micorrizada. Efectos sobre la planta -mejor crecimiento en suelos pobres -mayor longevidad de la planta ej pino -en otras especies, esta unión es tan estrecha que sin ella la planta no puede subsistir, ej orquídeas. Las semillas carecen de endosperma. -protección frente a patógenos -plantas parásitas (ej Monotropa) -conexión entre plantas, mantenimiento de la diversidad Efectos en el suelo Reducen la pérdida de nutrientes por percolación, en los suelos forestales típicamente pobres este fenómeno es de gran importancia Frenar la erosión y la desertificación, pues producen una re-vegetación con especies arbustivas autóctonas, y posteriormente ello conduce a la recuperación del suelo. Preparados comerciales Relación FNB-Micorrizas Próxima clase: Interacciones Las microrrizas fueron descubiertas por el botánico polaco Franciszek Dionizy Kamieński, en 1879 - 1882.6 Fueron bautizadas con el nombre que llevan actualmente por el botánico alemán Albert Bernhard Frank, en 1885, tras detectar su presencia en varios árboles frutales.7 En 1900, el francés Bernard descubrió su extrema importancia en la vida y desarrollo de las orquídeas. En 1910 comenzó a extenderse su estudio en las plantas utilizadas en agricultura y jardinería. No obstante, no fue hasta 1955, con la publicación de los primeros estudios de Mosse en Inglaterra, cuando las micorrizas dejaron de considerarse como excepciones y se aceptó su importancia y generalidad reales. En tiempos más recientes, numerosos hallazgos fósiles han permitido determinar que el origen y presencia de las micorrizas son enormemente antiguos, pues se han llegado a encontrar esporas de Glomeromycota en estratos de hasta 460 millones de años de antigüedad, pertenecientes al periodo Ordovícico. Las formas arbusculares ya se encuentran bastante extendidas en el momento de aparición de las primeras plantas terrestres en el registro fósil, hace 400 millones de años. Estas plantas, como la especie Aglaophyton major, carecían de auténticas raíces, presentando únicamente un tallo subterráneo o rizoma del que sobresalían varios tallos aéreos. La absorción de nutrientes, por tanto recaía casi exclusivamente sobre el hongo micorrícico, por lo que se puede decir que la presencia de éstos fue imprescindible para la extensión de la vida vegetal a tierra firme, tras la cual llegarían posteriormente los animales.