BACTERIAS FIJADORAS DE BACTERIAS FIJADORAS DE NITRÓGENO NNITRÓGENO N22
Fijación simbióticaFijación simbióticaFijación de vidaFijación de vida librelibre
(No simbiótica)
Fijación de Nitrógeno NFijación de Nitrógeno N22
•
Capacidad de utilizar el nitrógeno molecular N2
como fuente de nitrogeno
•
Implica llevar a cabo la reducción del triple enlacereducción del triple enlace
de la molécula de nitrógeno
•
Esta reducción la realiza la enzima NITROGENASA,NITROGENASA, extremadamente sensible al oxígeno
•
Las nitrogenasas
son enzimas muy conservadas y por tanto muy semejantes en todos los fijadores de nitrógeno
Control de la fijación del N2
• La fijación de nitrógeno es muy “cara”, energeticamente, es decir consume un elevado nivel de ATP
• Solo tiene lugar en ausencia de nitrógeno ausencia de nitrógeno combinadocombinado
•• NN2 2 2 NH2 NH33 GLUTAMINAGLUTAMINA
BACTERIAS FIJADORAS DE NITRÓGENOBACTERIAS FIJADORAS DE NITRÓGENO
••Fijadores de nitrógeno de Vida libreFijadores de nitrógeno de Vida libre
Familia AZOTOBACTERIACEAEG. AzotobacterG. Beijerinckia
Muchas otras bacterias e incluso algunas Arqueas metanógenas
••Fijadores de nitrógeno en simbiosis con vegetalesFijadores de nitrógeno en simbiosis con vegetales•Fijación en simbiosis con plantas leguminosas
Familia
RHIZOBIACEAEG. Rhizobium
G. BradyrhizobiumG. Sinorhizobium
•Fijación en simbiosis con plantas no leguminosasGénero FRANKIA
Género ANABAENA (simbiosis no nodular
con el helecho Azolla
Características generalesCaracterísticas generales
Bacterias Gram
negativas (no todas)QuimioheterótrofasAerobiosHabitat: Suelo
NITROGENASASNITROGENASAS
: Enzimas que realizan la fijación del nitrógeno.Muy conservadas, muy semejantes en todos los fijadores
N N 2 NH3
Diversidad de bacterias fijadoras de nitrógeno
• Fijadores de vida libre aerobiosaerobios
QUIMIOORGANOTROFOSQUIMIOORGANOTROFOS
AzotbacterAzotbacter KlebsiellaKlebsiellaBeijerinckiaBeijerinckia BacillusBacillusAzospirillumAzospirillum
QUIMIOLITOTROFOSQUIMIOLITOTROFOS
AlcalígenesAlcalígenesThiobacillusThiobacillus
FOTOTROFOSFOTOTROFOS
CianobacteriasCianobacterias
• Fijadores de vida libre anaerobiosanaerobios
QUIMIOORGANOTROFOSQUIMIOORGANOTROFOSClostridiumClostridiumDesulfovibrioDesulfovibrio
METANÓGENOSMETANÓGENOSMethanosarcinaMethanosarcinaMethanococcusMethanococcus
FOTOTROFOSFOTOTROFOSBacterias rojasBacterias rojasBacterias verdesBacterias verdes
Diversidad de bacterias fijadoras de Nitrógeno
Bacterias de fijación simbiótica
•• Simbiosis Simbiosis nodularnodular» Grupo RhizobiumRhizobium» Género FrankiaFrankia
•• Simbiosis asociativaSimbiosis asociativa»» Género AnabaenaAnabaena (Cianobacterias)» Género AzospirillumAzospirillum» Génnero AzotobacterAzotobacter (algunas especies)
Nitrogenasas
Fe-Mo-proteina
nitrogenasareductasa
Fe-proteina
nitrogenasa
Los genes codificantes de las nitrogenasas están altamente conservadosaltamente conservadosLas nitrogenasas son inhibidasinhibidas por el oxígenooxígeno
Flavodoxina(reducida)
Flavodoxina(oxidada)
ee--NN22
2 NH2 NH33
Cofactor Mo
NITROGENASAS ALTERNATIVASNITROGENASAS ALTERNATIVAS
•Contienen VanadioVanadio
en ausencia de Molibdeno
•Contienen solo Hierro Hierro en ausencia deMolibdeno y Vanadio
Se ha descubierto unanitrogenasa insensibleal oxígenoStreptomycestermoautotróphicus
• Cofactor molibdeno de la nitrogenasa
• Contiene átomos de Azufre, Hierro y un átomo de Molibdeno
La fijación de una molécula de Nitrógeno requiereentre 16 y 24 moléculasde ATP
Por lo tanto solo se producela fijación del nitrógenoen ausencia de nitrógeno combinado(Amoniaco, Nitrato,Aminoácidos, etc…)
Reducción sucesivaReducción sucesivadel triple y eldel triple y eldoble enlacedoble enlace
Asimilación del NitrógenoAsimilación del Nitrógeno
ATP + GLU GLN+ ADP
KG 2 GLU2 GLU
Nitrogenasa
N N 22 2NH3
GlutaminGlutamin sintetasasintetasa
GOGATGOGAT
Fuente nitrogenada externaInhibe la fijación del nitrógenoInhibe la fijación del nitrógeno
24 ATP
Genética de la fijación del N2
RegulónRegulón NifNif
• Genes REGULADORES»» nifnif AA : activa la transcripción»» nifnif LL: reprime la transcripción
• Genes ESTRUCTURALES: operón operón nifnif HDKHDK•• Genes Genes nifnif D, D, nifnif K, K, nifnif HH: subunidades de las nitrogenasa•• Genes Genes nifnif restantes:restantes: Síntesis del Cofactor Molibdeno,
Sintesis de la Flavodoxina.
Control de la Nitrogenasa
1.1. SíntesisSíntesis: A nivel de TranscripciónTranscripción
2. 2. ActividadActividad
Genes estructuralesnifnif LL nifnif AA
ProteinaProteina NifNif LL
ProteinaProteina NifNif AA
Bloquea la transcripciónBloquea la transcripciónFuenteFuentede nitrógenode nitrógenoexternaexterna
Conformación activa Conformación inactivaConformación inactiva
OO2 2 NHNH4 4 intracelularintracelular
Baja concentraciónBaja concentraciónDe De ATPATP
Activa la transcripciónActiva la transcripción
Género AzotobacterAzotobacter Fijación de NFijación de N22 de vida librede vida libre
•
En 1850 WinogradskyWinogradsky
descubrió la descubrió la fijación del Nitrógeno en bacterias fijación del Nitrógeno en bacterias anaerobiasanaerobias
••
En 1901 En 1901 BeijerinckBeijerinck
identificó la bacteria identificó la bacteria AzotobacterAzotobacter, , que realiza la fijación de fijación de nitrógeno en vida aerobianitrógeno en vida aerobia
••
AzotobacterAzotobacter es bacilo•
Gram
negativo
•
Aerobio•
De vida libre
•
Heterótrofo•
Respiratorio
•
Requieren Mo
o Va•
Tasa respiratoria elevada para la protección de la nitrogenasa
Ecología: Ecología:
•Habitat
natural: suelos y aguas•Ambientes templados
Aislamiento:Aislamiento:Placas de tierra moldeada
Azotobacter
AzotobacterAzotobacter chroococcumchroococcum AzotobacterAzotobacter vinelandiivinelandii
Fijación de Fijación de nitrogenonitrogeno
enenAEROBIOSISAEROBIOSIS
••Elevada tasa respiratoriaElevada tasa respiratoria
••Cápsulas gruesas que impidenCápsulas gruesas que impidenla difusión del oxígenola difusión del oxígenohacia el interior de la célulahacia el interior de la célula
Fig. 20-37
AzotobacterAzotobacter vinelandiivinelandiiFormación de capasmucosas en presenciaDe oxígeno
Condiciones microoxicas
Células creciendo enContacto con el aire
Genética de Azotobacter
En la fase estacionariaSuele haber
80-100Copias del cromosoma
“Polipliodía”
¿Asincronía entre replicación del DNA Y la división celular?
Genes Genes nifnif:: generalmente en el cromosoma
nif HDK: componentes estructurales de la nitrogenasanifA y nifL: genes reguladores
Genes vnf: nitrogensa con VanadioGenes anf: nitrogenasa con hierro
Azotobacter
Asociaciones con plantas
• Asociaciones mutualistas llamadas Biocenosis ( no simbióticas)
• Rhizocenosis• Phylocenosis
AzotobacterAzotobacter paspalipaspaliRhizocenosis
Quistes de AzotobacterSon formas de resistenciaSon formas de resistencia
Se forman en condiciones adversas:Se forman en condiciones adversas:••Carencia de nutrientesCarencia de nutrientes••Falta de humedadFalta de humedad
MetabolicamenteMetabolicamente
inactivosinactivosViables mas de 10 añosViables mas de 10 años
Cuerpo centralCuerpo centralAlto contenido lipídico
IntinaIntinaFlexible, poco densaAlginato,Polisacáridos
ExinaExina::Rígida, LípidosRígida, Lípidos
CUBIERTACUBIERTA
Fijación de Nitrógeno en simbiosis con Plantas Leguminosas
GÉNEROSGÉNEROSRhizobiumRhizobiumBradyrhizobiumBradyrhizobiumSinorhizobiumSinorhizobiumMesorhizobiumMesorhizobiumAzorhizobiumAzorhizobium
••InteracciónInteracciónBacteriaBacteria--leguminosaleguminosa
••Introducción de la Introducción de la bacteria en la plantabacteria en la planta
••Formación de nódulosFormación de nódulos
Interacciones simbióticas entre bacterias fijadoras de N2
y plantas
•Importancia económica de plantas como: alfalfa, soja, judías, guisantes, trébol, etc….
•Gran importancia económicaimportancia económica
en Agricultura
•Las leguminosas pueden crecer en tierras carentes de nitrógenotierras carentes de nitrógeno, que otras plantas no podrían crecer.
••Rotación de cultivosRotación de cultivos
desde tiempos de la AntigüedadAntigüedad
•Formación de nodulosnodulos
en las raices
de las plantas leguminosas
•Azorhizobium
forma nódulos en raices
y tallos
••EspecificidadEspecificidad
entre las especies y variedades de las leguminosas y las espepecies
de rhizobios: Grupos de inoculación cruzada
Grupos de inoculación cruzada• R.Leguminosarum biovar viciae GUISANTE, LENTEJAS• R. leguminosarum biovar phaseoli JUDIA• R. leguminosarum biovar trifolii TREBOL• R. meliloti ALFALFA• B. japonicum SOJA• B. lupini ALTRAMUZ
En condiciones naturalesEn condiciones naturaleslos los RhizobiumRhizobium
solo solo
fijan el nitrógeno cuandofijan el nitrógeno cuandoforman nódulos en las forman nódulos en las raicesraicesde las plantasde las plantasLeguminosasLeguminosas
En el interior del nóduloEn el interior del nódulola bacteria experimenta una la bacteria experimenta una transformacióntransformaciónmorfológica y metabólicamorfológica y metabólicaformando los BACTEROIDESformando los BACTEROIDES
Nódulos
Fases de la formación de nódulos
••Adherencia de la bacteria al pelo radicularAdherencia de la bacteria al pelo radicular
•• Reconocimiento entre ambos simbiontesReconocimiento entre ambos simbiontes
••Excreción de Factores Excreción de Factores NodNod
por la bacteria (por la bacteria (OligosacáridosOligosacáridos
) que tienen ) que tienen efectos efectos morfogenéticosmorfogenéticos
en los pelos en los pelos radicularesradiculares
de la plantade la planta
••
Invasión del pelo radicular por la bacteria y formación del tubInvasión del pelo radicular por la bacteria y formación del tubo o canal o o canal de infecciónde infección
••Desplazamiento hacia la Desplazamiento hacia la raizraiz
primariaprimaria
••Formación de Formación de BacteroidesBacteroides, , celulascelulas
bacterianas deformadas y envueltas en bacterianas deformadas y envueltas en la membrana la membrana peribacteroidalperibacteroidal
((SimbiosomaSimbiosoma))
La planta secreta La planta secreta FLAVONOIDESFLAVONOIDESque estimula la colonización que estimula la colonización del pelo radicular por del pelo radicular por RhizobiumRhizobium
Reconocimiento bacteria Reconocimiento bacteria --
planta porplanta porRICADESINASRICADESINASLECTINAS YLECTINAS YEXOPOLISACÁRIDOSEXOPOLISACÁRIDOS
de la bacteriade la bacteria
SecrecciónSecrección
de de FACTORES NODFACTORES NOD
porporla bacteria.la bacteria.Provocan la curvatura del peloProvocan la curvatura del peloradicular de la plantaradicular de la planta
Formación delFormación delCORDÓN DE INFECCIÓNCORDÓN DE INFECCIÓN
por el quepor el quepenetran las bacterias al interior de penetran las bacterias al interior de la la raizraiz
Formación del Formación del MERISTEMOMERISTEMONODULARNODULAR
Transformación de la bacteria enTransformación de la bacteria enBACTEROIDEBACTEROIDE
Factores nod
Formación del nódulo• La entrada en el interior de las
células radiculares es mediante elCordón de infección
• Se origina el Simbiosoma– Bacteroides– Membrana peribacteroidal– Leghemoglobina
Células del nódulo
Célula del nóduloCélula del nódulo
BACTEROIDESBACTEROIDES
NITROGENASANITROGENASA
Membrana Membrana peribacteroidalperibacteroidalSIMBIOSOMASIMBIOSOMA
LEGHEMOGLOBINALEGHEMOGLOBINA
NUCLEONUCLEO
RHIZOBIUM
PLASMIDO SYMPLASMIDO SYMGenes Genes nodnodGenes Genes nifnif
••GENES DE ESPECIFICIDADGENES DE ESPECIFICIDAD
nodSINTESIS DE FACTORES
NOD
••GENES DE FIJACIGENES DE FIJACIÓÓN DE N DE NITRNITRÓÓGENO GENO nifnif
GENES NOD
LOCALIZADOS EN PLASMIDOS PLASMIDOS SYMSYM
GENÉTICA DEGENÉTICA DELA NODULACIÓNLA NODULACIÓN
El gen El gen nodnod
D se expresa cuandoD se expresa cuandodetecta Flavonoides producidos detecta Flavonoides producidos por la plantapor la planta
La La ProteinaProteina
NodNod
D esD esun reguladorun reguladorpositivo de lapositivo de laexpresión de expresión de los genes los genes nodnod
Generalmente son Generalmente son megaplásmidosmegaplásmidos
BacteroideLa fijación de nitrógeno tieneLa fijación de nitrógeno tieneLugar en el Lugar en el bacteroidebacteroide, que es, que esLa célula que contiene la La célula que contiene la nitrogenasanitrogenasa
La La nitrogenasanitrogenasa
es inhibida por eles inhibida por elOxígenoOxígeno
El metabolismo del El metabolismo del bacteroidebacteroide
esesRespiración aerobiaRespiración aerobia
La La LeghemoglobinaLeghemoglobina
se une se une reversiblemente al Oreversiblemente al O2 2 , para que, para queeste pueda este pueda actúaractúar
como aceptor decomo aceptor de
electrones en la cadena respiratoriaelectrones en la cadena respiratoriapero no inhiba la pero no inhiba la nitrogenasanitrogenasa
Frankia Fijación simbiótica
de Nitrógeno con plantas no
Leguminosas
FrankiaFrankia
es un es un ActinomycetoActinomyceto
Bacterias Gram
+FilamentosasForman miceliosHabitat: sueloCrecimiento lento
Poca especificidadPoca especificidadBacteriaBacteria--PlantaPlanta
Protección de laProtección de laNitrogenasaNitrogenasa
frentefrente
al oxígeno poral oxígeno porVesículasVesículas
Simbiosis de Frankia con NO Leguminosas
Aliso Nodulos en las raices
Nódulos de Frankia
Vesículas en interior de células
Simbiosis asociativasLa localización del procariota en el vegetal es extracelularLa localización del procariota en el vegetal es extracelular
Helecho acuático AzollaAzolla AnabaenaAnabaena azollaeazollae
(Cianobacteria)
Azolla se emplea para enriquecer los arrozales con el nitrógeno fijado por la simbiosis asociativa
Plantas de Maíz
AzospirillumAzospirillum
lipoferumlipoferum