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