Los microorganismos como aliados de nuestros cultivos
3.ª parte
Por Víctor Bataller Gómez
Problemas actuales de fertilización
El uso indiscriminado de fertilizantes nitrogenados en agricultura ha ocasionado graves problemas de contaminación de nitritos y nitratos en los acuíferos. No todo el fertilizante que se aplica lo aprovecha la planta, sino que en una cuantía importante acaba en lagos, lagunas y en cualquier otra reserva natural de agua. La fijación biológica de nitrógeno es la opción natural de fertilización química. Rhizobium es la bacteria fijadora de nitrógeno más conocida ya que fue la primera producida a gran escala y se ha añadido como inoculante desde hace más de cien años a diversos cultivos agrícolas con éxito en la mayor parte de los casos.
El proceso de fijación de nitrógeno
El nitrógeno es muy abundante en la atmósfera, sin embargo, las plantas no pueden utilizarlo en su forma elemental y tienen que obtenerlo del suelo principalmente en forma de nítrico y/o amoniacal. La fijación biológica de nitrógeno es un proceso clave en la biosfera, por el cual microorganismos portadores de la enzima nitrogenasa convierten el nitrógeno gaseoso en nitrógeno molecular. El grupo de bacterias al que se conoce comúnmente como Rhizobium induce en las raíces, principalmente de leguminosas, la formación de estructuras especializadas (los nódulos), dentro de las cuales el nitrógeno gaseoso es reducido a amonio. Se estima que este proceso contribuye a la fijación biológica de nitrógeno en casi un 80 % del total.
La simbiosis entre planta y bacteria
En un proceso de simbiosis entre los nódulos y la planta huésped, el hospedante obtiene nutrientes nitrogenados de la bacteria y, a cambio, le ofrece a ésta una fuente de carbono y un ambiente favorable para fijar nitrógeno. Esta simbiosis contribuye con una parte considerable del nitrógeno combinado en la tierra y permite a las plantas crecer sin fertilizantes nitrogenados y sin empobrecer los suelos. La simbiosis es inhibida si existe un exceso de nitrato o amonio en el suelo.
La fijación de nitrógeno es de considerable importancia en agricultura, porque provoca un aumento significativo del nitrógeno combinado en el suelo. Dado que la carencia de nitrógeno suele darse en suelos desnudos y sin abonar, plantas de leguminosas noduladas ofrecen una ventaja selectiva en tales condiciones y pueden crecer bien en zonas donde no lo harían otras plantas. Es por ello que leguminosas arbustivas y arbóreas se emplean como plantas pioneras en la reforestación de zonas áridas y semiáridas.
Investigación en biofertilizantes
Por el interés que estas bacterias representan para la agricultura, empleándose como inoculantes o biofertilizantes para los cultivos, se han realizado investigaciones extensas sobre este sistema simbiótico, incluyendo estudios sobre la diversidad y la taxonomía de esta bacteria.
Taxonomía de Rhizobium
El primer cultivo bacteriano puro de un nódulo de raíz de leguminosa lo obtuvo el botánico holandés Willem Beijerinck en 1888 y lo llamó Bacillus radicicola. Posteriormente, se propuso el nombre Rhizobium para estos aislados, que es la forma en la que es conocida hoy en día. Durante un tiempo se fueron nombrando especies en función de la taxonomía de su huésped (Rhizohium leguminosarum, R. trifolii, R. phaseoli, R. meliloti, R. japonicum o R. lupini) pero la taxonomía actual de los Rhizobium se basa en un enfoque polifásico más fiable que incluye morfología, bioquímica, fisiología, genética y filogenia. Cada especie de Rhizobium consta de un grupo de cepas que comparten características que las distinguen como grupo de otros grupos de bacterias. Hasta la fecha se han propuesto seis géneros o grupos que son: Allorhizobium, Azorhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Rhizobium y Sinorhizobium.
Géneros de Rhizobium y su importancia
El género Allorhizobium contiene sólo una especie, la A. undicola. Se trata de bacilos gram-negativos de rápido crecimiento que produce ácido y polisacáridos extracelulares. Fue aislado originalmente de los nódulos de la raíz de una planta acuática que crece en África. Genéticamente está más cercana a las especies de Agrobacterium que a las especies de Rhizobium.
El género Azorhizobium son bacilos que se mueven tanto en medio sólido como líquido, gracias a los dos tipos de flagelos que posee. Las colonias son circulares, translúcidas, gomosas y tienen un color cremoso. Miden más de dos mm de diámetro después de dos días de incubación, por lo que crecen muy rápido. Crece mejor con ácidos orgánicos como fuente de carbono que usando carbohidratos. Fija el nitrógeno (N2) en condiciones microaeróbicas y para ello requiere la presencia de ácido nicotínico. Hay una sola especie descrita en este género, la A. caulinodans. Esta bacteria fue aislada de nódulos de los tallos de Sesbania rostrata que crece en Senegal, siendo una de las pocas plantas leguminosas que nodulan en los tallos por lo que tiene un gran potencial para ser utilizada como abono verde.
El género Bradyrhizobium son bacilos que también se mueven con flagelos. Este género consiste de cepas de lento crecimiento, productoras de álcali. Las colonias son circulares, blancas y convexas con un diámetro menor a un milímetro tras siete días de incubación. Las tres especies definidas en este género, B. japonicum (especie tipo), B. elkanii y B. liaoningense. Tienen una amplia gama de plantas huéspedes, incluyendo muchas leguminosas tropicales y algunas de zonas templadas.
El género Mesorhizobium son bacilos que forman colonias circulares, convexas, semitranslúcidas y mucilaginosas. Miden de dos a cuatro milímetros de diámetro después de cinco días de incubación a 28 °C, para algunas especies, o menos de un milímetro después de siete días, para otras. Son bacterias quimio-organotróficas que utilizan una gran variedad de carbohidratos, ácidos orgánicos y aminoácidos como fuente de energía. No utilizan ni celulosa ni almidón. Todas las cepas producen ácido. Forman nódulos fijadores de nitrógeno en las raíces de diferentes plantas leguminosas de regiones templadas, subtropicales y tropicales. Hay siete especies en este género: M. loti (especie tipo), M. amorphae, M. ciceri, M. huakuii, M. mediterraneum, M. plurifarium y M. tianshanense.
El género Rhizobium son bacilos que poseen un número de flagelos variables (de uno a seis). Las colonias generalmente son blancas o color beige, circulares, convexas, semitranslúcidas u opacas y mucilaginosas. Son de las más rápidas porque generalmente miden de dos a cuatro milímetros de diámetro a los cuatro o cinco días de incubación. El crecimiento en medio de carbohidratos generalmente está acompañado de reacción ácida y abundante cantidad de gelatina polisacárida extracelular. Son quimio-organotróficas, utilizando una gran variedad de carbohidratos y ácidos orgánicos. Algunas cepas requieren biotina, ácido nicotínico, pantotenato o tiamina como factores de crecimiento. Las cepas de este género son bacilos de rápido crecimiento productores de ácido. Hay nueve especies definidas: R. leguminosarum (especie tipo), R. etli, R. galegae, R. gallicum, R. giardinii, R. hainanense, R. huautlense, R. mongolense y R. tropici. Nodulan diferentes especies de leguminosas en zonas templadas o tropicales.
El género Sinorhizobium son bacilos que miden 0.5-1.0 μm de ancho por 1.2-3.0 μm de largo. Su nombre fue propuesto por primera vez para designar a las bacterias de rápido crecimiento aisladas en China y que nodulan a la soja.
Etapas de la infección y desarrollo de nódulos
Se conocen bien las etapas de la infección y desarrollo de nódulos radiculares que, de forma esquemática y resumida, son las siguientes:
- Reconocimiento de la combinación adecuada de organismos, tanto por parte de la planta como de la bacteria, y adherencia de la misma a los pelos radiculares.
- Invasión del pelo absorbente de la raíz y formación de un canal o hilo de infección.
- Desplazamiento de las bacterias hacia la raíz principal a través del canal de infección.
- Diferenciación de las bacterias en un nuevo tipo al que se le llama bacteroides, dentro de las células de la planta, y desarrollo del estado de fijación del nitrógeno atmosférico.
- División de las células bacterianas y vegetales y formación del nódulo radicular maduro.
El papel de los compuestos vegetales en la nodulación
Las plantas leguminosas secretan compuestos específicos que atraen al Rhizobium. Entre estos compuestos se encuentran flavonoides y en respuesta a ellos la bacteria activa una serie de genes implicados en la nodulación. El primer paso en la formación de los nódulos es la adherencia de la bacteria a la planta. En la superficie del Rhizobium se localiza una proteína específica de la adherencia, la ricadesina, que es una proteína que se une al calcio y puede actuar captando complejos de calcio en la superficie de los pelos absorbentes. Otras sustancias como las lectinas, que son proteínas que contienen carbohidratos, y que también cumplen una función en la adherencia planta-bacteria, ya han sido identificadas en los extremos de los pelos radiculares y en la superficie de las células del Rhizobium.
Después de la unión, los pelos radiculares se enroscan debido a la acción de sustancias específicas secretadas por la bacteria, formando una estructura a la que se llama «cayado de pastor». La bacteria penetra entonces en el pelo absorbente e induce la formación, por parte de la planta, de un tubo de composición similar a la de su pared celular, conocido como canal de infección, que avanza por el interior del pelo. A continuación, la infección alcanza a las células de la raíz adyacentes a los pelos radiculares estimulando la división de las células vegetales y produciendo finalmente el nódulo.
Las bacterias son liberadas desde el canal de infección al citoplasma de las células vegetales por un mecanismo similar al de la endocitosis. Las bacterias quedan separadas del citoplasma por una membrana derivada de la planta hospedadora. A continuación, hay una división continua y sincronizada de los Rhizobium que, al cesar, se transforman en unas formaciones ramificadas, hinchadas y deformes, llamadas bacteroides. Estos quedan individualmente o en pequeños grupos, y a la estructura que contienen estos grupos de bacteroides se les llama simbiosomas. Los bacteroides pueden llegar a ser hasta cuarenta veces más grandes que los bacilos a partir de los que se desarrollan, y hasta varios miles se encuentran en una sola célula vegetal. La fijación del nitrógeno atmosférico no se inicia hasta que se han formado los bacteroides. El sistema vascular de la planta se extiende dentro del nódulo y transporta nutrientes hacia y desde el nódulo. Cuando el nódulo se deteriora, las bacterias pasan al suelo. En algunos casos, las formas bacteroidales no tienen capacidad de división, pero los nódulos contienen siempre algunos Rhizobium en estado de latencia. Estas formas proliferan en el suelo, utilizando como nutrientes algunos de los productos del nódulo destruido y las bacterias pueden iniciar la infección en otras raíces o mantenerse en estado libre en el suelo.
Tipos de nódulos
En general, los nódulos se pueden dividir en dos tipos:
- Nódulos indeterminados, que contienen un meristemo persistente con formas cilíndricas y a menudo ramificadas.
- Nódulos determinados, que carecen de un meristemo persistente y tienen forma redondeada.
Especificidad de la simbiosis
La formación de una simbiosis efectiva entre el Rhizobium y la planta hospedante es un proceso altamente específico, sin embargo, el grado de especificidad varía tremendamente entre los diferentes bacilos. Así, algunas cepas tienen un rango de hospedador muy reducido, como por ejemplo R. leguminosarum biovar trifolii, que sólo fija nitrógeno en algunas especies de trébol. Otras, por el contrario, muestran un amplio rango de hospedador, éste es el caso de Rhizobium sp. NGR234, que nodula en más de cien géneros de plantas distintas.
Importancia de las leguminosas en la agricultura ecológica
Hay un aspecto muy a tener en cuenta y es que la inmensa mayoría de las plantas que están cualificadas para formar nódulos de Rhizobium en sus raíces son las pertenecientes a la familia de las leguminosas. Esta simbiosis es la principal razón de que este tipo de plantas sea considerada un mejorante de suelos y se haya convertido en un aliado fundamental en la agricultura ecológica a la hora de diseñar rotaciones de cultivos. Por lo tanto, los tres grupos fundamentales de hortalizas que están bien estructurados y definidos a la hora de plantear una rotación de cultivos (mejorantes, exigentes y medio-exigentes), van en función de las cualidades con las que dejan el suelo para posteriores implantaciones de otros cultivos.
Preguntas Frecuentes
P: ¿Qué es la fijación biológica de nitrógeno?
R: La fijación biológica de nitrógeno es un proceso natural donde microorganismos convierten el nitrógeno gaseoso de la atmósfera en una forma que las plantas pueden utilizar, como el amonio. Esto es posible gracias a la acción de la enzima nitrogenasa presente en bacterias como el Rhizobium.
P: ¿Cuál es el papel de Rhizobium en la fijación de nitrógeno?
R: Rhizobium es una bacteria que vive en simbiosis con leguminosas, formando nódulos en sus raíces. En estos nódulos, Rhizobium convierte el nitrógeno gaseoso del aire en amonio, que la planta puede usar como nutriente.
P: ¿Por qué es importante la fijación biológica de nitrógeno en la agricultura?
R: Es importante porque aumenta el nitrógeno disponible en el suelo sin necesidad de fertilizantes químicos. Esto es crucial para la sostenibilidad, ya que reduce la contaminación de acuíferos y mejora la fertilidad del suelo para el cultivo de plantas, especialmente en zonas áridas y semiáridas.
