La fijación biológica de nitrógeno , o diazotrofia , es el proceso del ciclo del nitrógeno que permite a un organismo producir (indirectamente) sustancias proteicas a partir del gas nitrógeno (N 2 ) presente en la atmósfera y el medio ambiente .
Los angloparlantes utilizan a veces el acrónimo BNF para resumir la expresión "fijación biológica de N2" .
Es el proceso de reducción enzimática de N 2 ( nitrógeno molecular ) en nitrógeno amoniacal, o amoniaco (NH 3 ): esta forma combinada de N, llamada intermedio clave, representa el final de la reacción de unión y el inicio de la incorporación de nitrógeno fijado en el esqueleto de carbono. En el sistema biológico de fijación de N 2 , las condiciones óptimas para la catálisis biológica corresponden a una presión de 0,2 a 1,0 atm de N 2 y una temperatura de 30-35 ° C , mientras que las condiciones para la catálisis química son severas: presión 250-1000 atm de N 2 y la temperatura de 450 ° C .
Este proceso es comparable al de la fotosíntesis, que produce sustancias de carbohidratos a partir del dióxido de carbono (CO 2 ) en la atmósfera. Pero, si bien la fotosíntesis es el trabajo de todas las plantas (excepto las plantas saprofitas ), la fijación del nitrógeno ambiental solo la llevan a cabo ciertas especies de bacterias como las cianofíceas . Sin embargo, muchas plantas , principalmente de la familia de las Fabaceae ( leguminosas ), la producen de forma indirecta, en simbiosis con bacterias de su rizosfera , que generalmente se localizan en nódulos ubicados en sus raíces.
Hasta hace poco, se creía que los hongos micorrízicos podían fijar N 2 . Ahora se sabe que la propiedad de fijar N 2 está estrictamente limitada a los procariotas y nunca se ha mostrado en hongos filamentosos. La fijación de N 2 medida por la reducción de acetileno ( C 2 H 2 ) a etileno (C 2 H 4 o CH 2 = CH 2 ) por una raíz de micorrizas no debe atribuirse al hongo en sí, sino a las bacterias asociadas con la micorrizosfera. . Además, esta actividad de unión al N 2 es incluso más importante en la hojarasca forestal que en la propia micorrizosfera .
Estos organismos procarióticos (bacterias) producen una enzima , la nitrogenasa , que permite la síntesis de amoniaco mediante una reacción de reducción fuertemente endotérmica :
N 2 + 16 ATP + 8 e - + 8 H + → 2 NH 3 + H 2 ↑ + 16 ADP + 16 Pien condiciones de suelo, a diferencia de los 450 ° C de los procesos industriales que también requieren una presión media del orden de 400 atmósferas. El amoníaco se convierte entonces en amino ácidos que pueden ser utilizados por las plantas.
La nitrogenasa es en realidad un complejo enzimático formado por subunidades, cuyo funcionamiento es inhibido in vitro por el oxígeno. Pero en el proceso de simbiosis, su funcionamiento se posibilita en una zona microaeróbica (en los nódulos radiculares) o incluso en condición aeróbica dentro de las raíces de plantas no leguminosas (con la ayuda de microorganismos llamados " endófitos " según Santi & al. . en 2013 que, por lo tanto, parece beneficiarse de las condiciones.
Además, los microorganismos diazotróficos (fijación de nitrógeno) han desarrollado por su parte varias estrategias para la protección de su complejo nitrogenasa.
Inhibición de la nitrogenasa por O 2, ya sea directa o indirectamente a través de radicales oxidantes, constituye un fuerte regulador del contenido de oxígeno en la atmósfera, en el ciclo del oxígeno , por la retroalimentación negativa que tiene sobre la fijación de nitrógeno. Una inhibición en la fijación de nitrógeno conduciría a una caída en la productividad primaria, tanto directamente para las cianobacterias diazotróficas como indirectamente para toda la productividad primaria de la hidrosfera , induciendo a largo plazo, para el ciclo del carbono , una reducción en la tasa de producción orgánica. entierro de carbono. Sin vertedero no hay creación neta de O 2por la biosfera, y el exceso de oxígeno de especies muy reactivas, desaparece gradualmente por la oxidación de la superficie del planeta .
En la Tierra , hay bacterias libres que viven en el suelo y proporcionan fijación de nitrógeno, ya sea solas o en simbiosis con otras bacterias. Estos son principalmente:
Otras bacterias viven en simbiosis con el sistema de raíces de las plantas:
En los océanos , son las cianobacterias las que fijan el nitrógeno. Hay dos tipos :
Las diferentes especies de bacterias rhizobium , capaces de infectar las raíces de las leguminosas ( familia Fabaceae ), son específicas de determinadas plantas hospedadoras. Por tanto, Rhizobium phaseoli infecta los frijoles ( Phaseolus sp).
Las bacterias hacen que se formen nódulos en las raíces al entrar a través de los pelos radiculares y se convierten en " bacteroides " más grandes . Los nódulos son el asiento de una actividad simbiótica en la que la planta aporta los azúcares y la energía resultante de la fotosíntesis y, a cambio, se beneficia de los aminoácidos que allí se producen.
Esta actividad puede producir anualmente hasta 300 kg de nitrógeno por hectárea, que se encuentra en parte en cultivos de exportación (proteína de semillas y forrajes) y en parte enterrado en el suelo, que puede ser utilizado por los siguientes cultivos ( abono verde ).
A nivel mundial, la masa de nitrógeno así fijada se estima en 100 millones de toneladas por año, que es el mismo orden de magnitud que la producción de nitrógeno de la industria química.
La formación de nódulos radiculares implica un complejo diálogo molecular entre la planta huésped y las rizobióceas .
La planta segrega señales como flavonoides , betaínas . La percepción de estas señales por parte de la bacteria induce la expresión de numerosos genes bacterianos, de los que se conocen un centenar. Los más estudiados son los genes nod (o bien nol y noe). Los genes Nod D expresan proteínas reguladoras en respuesta a inductores vegetales. Una vez activadas, las proteínas Nod D se unen a secuencias de nod-box, promotores de genes de nod estructurales y activan su transcripción. Estos genes producen factores Nod esenciales para establecer la simbiosis .
Los factores NOD activan una vía de señalización que involucra una serie de genes de la planta hospedante y, en última instancia, provocan cambios morfológicos y citológicos de raíz, lo que lleva a la formación de nódulos .
Se han identificado muchos genes en guisantes ( Pisum sativum ) , trébol ( Lotus japonica ) y alfalfa trébol ( Medicago truncatula ) . Todos son receptores SYMRK (receptor de simbiosis como quinasa), que poseen un dominio quinasa en el lado intracelular (RLK, receptor como quinasa) y motivos ricos en LysmM (interacción con factores NOD) en el lado extracelular. Los genes se denominan Nfr (receptor del factor Nod) o Sym (genes de simbiosis). Podría haber dos tipos de receptores, uno controlando la infección de la raíz por las bacterias y el otro permitiendo la curvatura de los pelos radiculares .
Unas decenas de segundos después de la aplicación de los factores Nod, se observa un rápido influjo de calcio que induce una despolarización de la membrana plasmática provocando la curvatura y deformación de los pelos absorbentes .
Diez minutos más tarde ocurren oscilaciones periódicas y transitorias de la concentración de calcio citosólico cerca de la región perinuclear. Estas oscilaciones de calcio (picos de calcio) se deben a dos proteínas de membrana DMI1 y DMI2. Este último es un receptor de tipo RKL (receptor como quinasa) que presenta tres dominios ricos en Leucina (LRR).
La respuesta a estas oscilaciones se debe al gen DMI3 que codifica una proteína quinasa dependiente de calmodulina y calcio. Esta proteína detecta cambios en la concentración de calcio al unirse a las calmodulinas unidas al calcio y al calcio libre. DMI3 se activa por autofosforilación de su dominio quinasa. Además, DMI3 ejerce una retroalimentación negativa sobre DMI1 y DMI2 y, por tanto, sobre las oscilaciones de calcio.
DMI3 activa la expresión de los genes ENOD (genes tempranos de nodulina), proteínas producidas por la planta durante las primeras etapas de la simbiosis, (como la leghemoglobina) implicadas en la infección y la organogénesis de los nódulos activando la división de las células corticales . Sin embargo, los sustratos intermedios de DMI3 aún no están bien determinados.
Parece que las rizobióceas reclutaron la vía de señalización micorrízica y que la organogénesis del nódulo se deriva del programa genético de la organogénesis de la raíz secundaria. Las endosimbiosis fijadoras de nitrógeno habrían aparecido hace 65 millones de años . El antepasado común a todas estas especies habría desarrollado una endosimbiosis bacteriana, gracias a una cierta predisposición a la organogénesis nodular (siendo la formación de nódulos una desviación del programa genético de formación de raíces secundarias). Es probable que la capacidad de formar nódulos apareció varias veces e independientemente durante la evolución . Esta capacidad también se ha perdido varias veces, por ejemplo para adaptarse a suelos más fértiles. Esto ayuda a explicar la presencia de plantas nodulares dentro del clado de plantas nódulos.
Dos "fuerzas de selección" antagónicas podrían explicar la especificidad de las simbiosis fijadoras de nitrógeno.
Parece encontrarse una baja especificidad en los géneros de plantas primitivas, mientras que la especificidad de los simbiontes aumenta durante la evolución.
A nivel molecular, se pueden definir tres niveles de especificidad durante el diálogo de la planta huésped de rizobio. Los genes Nod son transportados por un plásmido bacteriano. Entonces pueden tener lugar transferencias de genes horizontales, que también transfieren los espectros del huésped. Esto explica la interacción entre especies de bacterias evolutivamente distantes y plantas hospedadoras cercanas, y viceversa. Por tanto, existe una coevolución entre los genes de la simbiosis y las plantas hospedantes, y no entre las rizobiaceae y las plantas hospedadoras.
Muchas plantas tienen asociaciones similares:
Desde 2000 hasta 2015, se han encontrado varias especies de plantas que exhiben endófitos fijadores de nitrógeno, que incluyen:
La capacidad de fijación de nitrógeno se ha cuantificado directamente en algunas gramíneas (caña de azúcar, trigo y arroz).
Se realiza de dos formas:
Algunos estudios, por precaución, utilizan ambas pruebas al mismo tiempo, como el estudio de 2016 que mostró por primera vez la existencia de bacterias diazotróficas simbiontes de especies pioneras en ramas de árboles (sauces o álamos pioneros que florecen en ambientes con una alta deficiencia de nitrógeno).