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.

• 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.

• 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:

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:

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.

• 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 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.

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.

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 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 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 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.