nutrición mineral y metabolismo del nitrógeno · nutrición mineral y metabolismo del nitrógeno...
TRANSCRIPT
Nutrición mineral y metabolismo del
nitrógeno
Introducción a la Botánica
sin inocular con bacteria fijadora
inoculada con bacteria fijadora
Nutrientes esenciales para las plantas
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Los requerimientos nutritivos de las plantas son muy simples: • Agua • Dióxido de Carbono • Minerales disueltos (iones inorgánicos) • Luz solar De ellos obtienen todos los elementos que necesitan para su supervivencia, crecimiento y reproducción Pueden sintetizar todos los compuestos orgánicos que necesitan (incluso aminoácidos y vitaminas) ¿de dónde vienen esos nutrientes, cómo ingresan a la planta, cómo se transportan?
Minerales esenciales para las plantas
¿Qué significa que un mineral sea esencial? La deficiencia de un mineral o elemento esencial causa síntomas característicos
Jon
es e
t al
. 201
3 M
ole
cula
rLif
e o
f P
lan
ts
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Puede ser que el elemento esté en el suelo en abundancia pero no pueda ser absorbido por otras causas (pH, aireación, falta de agua, antagonistas, etc. )
Minerales esenciales para las plantas
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Para cada mineral esencial existe un óptimo de concentración
en un tejido, o en el suelo, o en el sustrato usado para el crecimiento
Minerales esenciales para las plantas
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
¿Cómo se estudia? cultivos en condiciones controladas
Taiz
y Z
eige
r 2
00
6 P
lant
Phy
sio
logy
Rizotrones: para la observación directa de toda la planta, incluida la raíz
Hidroponia: nutrientes estrictamente controlados
Minerales esenciales para las plantas
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Nab
ors
20
06
Intr
od
ucc
ión
a la
Bo
tán
ica:
Minerales esenciales para las plantas
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Los minerales en el suelo se encuentran • disueltos en la fase acuosa (menos del 2%) • fijados a partículas sólidas (minerales, humus) 98%
la mayoría de los minerales solo se liberan lentamente a medida que van siendo disueltos
Las plantas “controlan” la disponibilidad de minerales modificando las características del suelo • cambiando el pH • favoreciendo la interacción con microorganismos beneficiosos
presentes en el suelo
Absorción de minerales por la raíz Los pelos radicales absorben minerales disueltos en el agua del suelo La absorción de cationes por la raíz está asociada a la acidificación del suelo y al movimiento de protones a través de la membrana plasmática del pelo absorbente
Intercambio de cationes entre la raíz y la superficie de las partículas del suelo pH ácido lo favorece
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Jon
es e
t al
. 20
13 M
ole
cula
rLif
e o
f P
lan
ts
Rutas de transporte: apoplástica vs. simplástica
CT de raíz
Jon
es
et
al. 2
01
3 M
ole
cula
rLif
e o
f P
lan
ts
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Ruta apoplástica: a través del continuo de paredes celulares Ruta simplástica: a través del continuo de citoplasmas conectados por plasmodesmos La ruta apoplástica se frena en la endodermis
¿Cómo llegan al xilema los minerales disueltos? Jo
ne
s e
t al
. 20
13
Mo
lecu
larL
ife
of
Pla
nts
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
La ruta apoplástica se frena en la endodermis Los iones (cationes, nitrato, fosfato) entran al simplasto por medio de transportadores específicos en la membrana plasmática, con gasto de energía ¿Cómo se vuelcan en el xilema? evidencia de que las células del parénquima xilemático liberan activamente K+, Na+ y Mg2+ en los elementos conductores del xilema
Entrada de nitrato a las células vegetales
Mar
sch
ner
's M
iner
al N
utr
itio
n o
f H
igh
er P
lan
ts 2
012
El transporte de nitrato a través de la membrana plasmática está acoplado a una bomba de protones requiere energía
El nitrógeno
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
El nitrógeno forma parte de moléculas esenciales para la estructura y la función de las plantas ácidos nucleicos proteínas
algunos componentes de la pared celular
moléculas de señalización
remolacha azucarera
Las formas del nitrógeno más relevantes para las plantas
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Jon
es e
t al
. 20
13 M
ole
cula
rLif
e o
f P
lan
ts
El nitrógeno
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Formas del N absorbidas por las plantas: Nitrato: NO3
- Amonio: NH4
+
Asimilación: Incorporación de N inorgánico a compuestos orgánicos por la planta
Fijación: Transformación del N2 atmosférico en una forma de N asimilable por la planta o microorganismo
formas inorgánicas
El ciclo biogeoquímico del nitrógeno
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
La principal fuente de nitrógeno es la atmósfera 80% del aire está formado por N2
El N2 es un gas muy poco reactivo requiere mucha energía para poder ser usado en reacciones biológicas
La mayoría de los organismos no pueden utilizar N2 como fuente de nitrógeno
NH4 + (amonio) y NO3
- (nitrato) son formas más reactivas de N pero son menos abundantes
Aunque hay abundante N2 en la atmósfera, el N en general es un nutriente limitante para el crecimiento de las plantas
Las distintas formas de nitrógeno son recirculadas a través de la biósfera
ciclo biogeoquímico del N
El ciclo biogeoquímico del nitrógeno
Filtrado
N2 en la atmósfera
Fijación por relámpagos e industria
Fijación por bacterias libres
Fijación por bacterias
simbiontes
NH4+ en
el suelo
Pérdida por incorporación
a los sedimentos
Escape por
filtrado
Rav
en B
iolo
gy o
f P
lan
ts 2
013
Materia orgánica
S! aminoácidos
Nitrificación bacteriana
tejidos vegetales
Desnitrificación bacteriana
NO3-
nitrato
NH4+ en plantas
3 tipos de fijación
Asimilación vegetal
tejidos animales
descomposición por microorg.
amonificación por bacterias
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
El ciclo biogeoquímico del nitrógeno
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Amonificación o mineralización: Nitrógeno orgánico (unido a C) el C es
usado como fuente de energía por microorganismos (bacterias y hongos) del suelo se libera NH4
+ (amonio) al suelo
Amonificación N orgánico en restos de plantas, animales, excreciones
NH4+
Nitrificación: El NH4 + es usado como dador de electrones por microorganismos
quimio-autótrofos del suelo
Paso 1: Nitrosomonas sp. oxidan NH4 + a NO2
- (nitrito) con consumo de O2
2NH4 + + 3O2
2NO2
- + 4H+ + 2H2O el nitrito es TÓXICO
Paso 2: Nitrobacter sp. oxidan NO2 - a NO3
- (nitrato) con consumo de O2
2NO2 - + O2
2NO3
-
Nitrificación NO3- NH4
+
El ciclo biogeoquímico del nitrógeno
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Desnitrificación: Pérdida de nitrato por reducción a formas volátiles (gaseosas)
el NO3- es usado como aceptor de electrones para la respiración por bacterias
cuando/donde no hay O2. Se genera N2 y N2O (óxido nitroso)
Bacterias de los géneros Pseudomonas y Clostridium
Desnitrificación NO3- N2O y N2
El N del suelo se pierde por desnitrificación ¿Cómo se recupera?
Las bacterias del suelo y el N disponible
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Nabors 2006 Introducción a la Botánica
Fijación de N2
Fijación simbiótica de N
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
La simbiosis permite un crecimiento mayor sin el agregado de fertilizantes en el suelo
sin inocular con bacteria fijadora
inoculada con bacteria fijadora
Fijación de N: utilización del N2 de la atmósfera
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
La fijación de N2 la llevan a cabo solamente algunos organismos procariontes todos los demás dependemos de ellos
Fijadores de vida libre: • presentes en el suelo: bacterias no fotosintéticas
(Azotobacter, Azospirilum) • presentes en el suelo o en cuerpos de agua: cianobacterias
y bacterias fotosintéticas no productoras de O2
Fijadores simbiontes: • diferentes grupos de bacterias, cianobacterias y
actinomicetes • con especificidad de hospedante
Fijación de N: la nitrogenasa
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
La nitrogenasa es sensible al O2
Todos los fijadores usan una única enzima nitrogenasa La enzima consta de varias subunidades con varios cofactores metálicos. La reacción de fijación del N tiene alto consumo de energía y de poder reductor
Fijación de N: la nitrogenasa
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
La nitrogenasa es sensible al O2
Reacción global de la nitrogenasa
N2 + 16 ATP + 10 H+ + 8e– → 2 NH4 + + H2 + 16 ADP + 16 Pi
La expresión de los genes que codifican para las varias subunidades de la enzima está altamente regulada por las condiciones ambientales: • Se activa en condiciones anaeróbicas y limitantes de N combinado • Se inactiva en presencia de O2 y alta concentración de N
combinado
Fijación simbiótica de N: leguminosas
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Nódulos en la raíz de soja (Glycine rex) producidos por la infección de Bradyrhizobium
Distintas especies de rizobios que colonizan específicamente a las especies de leguminosas
CT de un nódulo
zona central de células parenquimáticas conteniendo bacteroides
corteza
1. La raíz libera atractantes y elicitores de la expresión de genes Nod
2. Las bacterias liberan factores Nod 3. La planta cambia su flujo de iones, expresa
proteínas de nodulación, es infectada y se genera un nódulo
Etapas de la nodulación Liberación de bacterias en la célula cortical de la raíz
Nódulos maduros en la raíz de arveja
Fijación simbiótica de N: leguminosas
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Porque contienen Leg-hemoglobina
¿Por qué los nódulos son rosados?
• La leg-hemoglobina es sintetizada por la planta sólo cuando hay simbiosis
• Modula la concentración de O2 en el nódulo
• Protege la actividad de la nitrogenasa
Fijación simbiótica de N: leguminosas
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Leg-hemoglobina hemoglobina humana
Fijación simbiótica de N: leguminosas
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
El desarrollo del nódulo es un proceso complejo regulado por la interacción entre planta y rizobio
CT de un nódulo
zona central de células parenquimáticas conteniendo bacteroides
corteza
Fijación simbiótica de N: leguminosas
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Los bacteroides son más grandes que las bacterias libres y tienen morfologías variadas, están en grupos y rodeados de la membrana plasmática de la célula infectada
bacteroides
célula infectada célula no infectada
bacteroides + membrana plasmática = simbiosoma
Infección y formación de nódulos en la raíz
Bacterias unidas a un pelo radical
emergente
Desarrollo de los filamentos de infección
Fil. de infección conteniendo rizobios
Infección de raíz de soja por Bradyrhizobium japonicum
Rav
en B
iolo
gy o
f P
lan
ts 2
013
Bacteroides en el nódulo, cada grupo rodeado de membrana
Intr
od
ucc
ión
a la
Bo
tán
ica
D
BB
E FC
EyN
- U
BA
Infección y formación de nódulos en la raíz
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
CT de raíz a la altura de los pelos absorbentes
La infección involucra una serie de eventos de comunicación entre la planta y el rizobio específico para ella La planta emite sustancias de
atracción. El rizobio produce señales que afectan el crecimiento del pelo radicular
Se forma un filamento de infección con un mecanismo de endocitosis las bacterias permanecen rodeadas de membrana de la célula hospedante
Infección y formación de nódulos en la raíz
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Los rizobios pierden sus paredes y se agrandan bacteroides Proliferan dentro de las células de la corteza de la raíz Mediante la secreción de factores Nod los bacteroides inducen la división celular del parénquima cortical generando un nódulo (= tumor)
La formación de los nódulos es un proceso histológicamente complejo y requiere un intercambio de
señales moleculares entre los rizobios y la planta
Los bacteroides reciben compuestos carbonados de las células hospedantes del parénquima de la raíz y le brindan N asimilado La energía necesaria para la fijación de N2 proviene originariamente de la fotosíntesis. El compuesto carbonado transportado desde la parte aérea a los nódulos, vía floema, es la sacarosa.
•El malato proveniente del metabolismo de la célula hospedante es oxidado por el ciclo de Krebs en el bacteroide el malato es utilizado como fuente de energía y de poder reductor por los bacteroides •Los bacteroides proveen amonio a la célula hospedante, que mantiene baja la [O2] mediante síntesis de Leg-hemoglobina (Lb)
Fijación de N: Bioquímica de la simbiosis
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Fijación de N en cianobacterias de vida libre
Intr
od
ucc
ión
a la
Bo
tán
ica
D
BB
E FC
EyN
- U
BA
heterocisto
células vegetativas
acineta
La fijación de N en algunas cianobacterias está confinada a células especiales llamadas heterocistos
Nostoc
heterocistos
Los heterocistos poseen nitrogenasa y no tienen FS2. Su formación está controlada por genes que se “encienden” a baja concentración de nitrato o amonio. Están conectados con células vecinas por plasmodesmos, por los que reciben carbono fijado por fotosíntesis e intercambian N fijado
Fijación de N en cianobacterias de vida libre
Intr
od
ucc
ión
a la
Bo
tán
ica
D
BB
E FC
EyN
- U
BA
Simbiosis entre el helecho Azolla y la cianobacteria Nostoc Las cianobacterias no forman nódulos pero están presentes en cavidades de las hojas
Las cianobacterias simbiontes
Intr
od
ucc
ión
a la
Bo
tán
ica
D
BB
E FC
EyN
- U
BA
Azolla en campos de arroz: fertilizante natural
Azolla La parte dorsal de las hojas bilobadas tiene una cavidad con cianobacterias simbiontes
Raven Biology of Plants 2013
Muérdago (Phoradendrum leucarpum) creciendo sobre un enebro
Otras maneras de adquirir N
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Plantas parásitas: no desarrollan verdaderas raíces sino haustorios desde donde absorben los nutrientes de la planta hospedante
Rav
en B
iolo
gy o
f P
lan
ts 2
013
Otras maneras de adquirir N
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Plantas carnívoras: Viven en ambientes acídicos donde se dificulta
la nitrificación. Secretan enzimas que digieren los animales que atrapan absorben formas combinadas de N
Sarracenia, Nepenthes
Dionaea
El N disponible para la absorción
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Nabors 2006 Introducción a la Botánica
El transporte del nitrógeno
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Nitrógeno combinado en el xilema de plantas cultivadas con
nitrato (NO3-) como fuente de N
Entre las plantas existe variabilidad en la forma de N que es transportada por la vasculatura
El amonio no se transporta!!!
Asimilación de amonio El NH4
+ es tóxico porque disipa gradientes de protones a través de las membranas biológicas debe ser rápidamente asimilado
Fuentes de NH4+ interno en la célula vegetal:
Reducción de nitrato, catabolismo (hidrólisis) de proteínas, fotorrespiración
El movimiento del amonio de un lado a otro de la membrana hace se igualen las concentraciones de protones de ambos lados
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Asimilación de amonio
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
La asimilación de NH4+ requiere de energía y de dos enzimas
que se encuentran en el citoplasma y en los plástidos:
Glutamina sintasa = GS Glutamato sintasa = GOGAT
Una vez que el de NH4+ está unido a una molécula orgánica
deja de ser tóxico
Síntesis de aminoácidos
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
aminoácidos proteínas Los aminoácidos se sintetizan por transaminación (transferencia de grupo amino) •entre dos aminoácidos •entre un aminoácido y ácidos de 3 ó 4 C (provenientes de la glicólisis y el ciclo de Krebs) en reacciones catalizadas por diferentes enzimas
Aminación
Transaminación
Roundup®
Asimilación de nitrato
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
El N también puede ser absorbido por las raíces como nitrato Dependiendo de la especie y la demanda de N puede ser:
•asimilado en la raíz • transportado por el xilema en esa forma hasta las hojas,
donde es asimilado En la asimilación del nitrato participan dos enzimas Nitrato reductasa: citosólica, consume NADH o NADPH
NO3– + NAD(P)H + H+ + 2 e– →NO2
– + NAD(P)+ + H2O Nitrito reductasa: plastídica, consume ferredoxina (del FS1)
NO2– + 6 Fer red. + 8H+ + 6 e– →NH4
+ + 6 Fer ox + 2H2O
xilema
Asimilación de N en el mesófilo de la hoja
El N llega a la célula como nitrato (NO3-) vía xilema
Entra al citoplasma mediante un transportador (NRT) Es reducido a nitrito (NO2
-) en el citoplasma El nitrito entra al cloroplasto y es reducido a amonio (NH4
+) El amonio se utiliza para sintetizar aminoácidos en el cloroplasto y en el citoplasma
Se consumen ATP y poder reductor. La ferredoxina (Fd) reducida proviene de la fotosíntesis
Las vías del N en las plantas
Mar
sch
ner
's M
iner
al N
utr
itio
n o
f H
igh
er P
lan
ts 2
012
Un resumen:
El fósforo
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
El fósforo también forma parte de moléculas esenciales para la estructura y la función de las plantas Especialmente todas las reacciones de transferencia de energía La entrada de fósforo a la biósfera por las plantas lo hace disponible para los animales El fosforo se absorbe como fosfato (PO4
3-)
ácidos nucleicos fosfolípidos de membrana
nucleótidos del metabolismo: ATP, NAD(P)
moléculas de señalización
El ciclo del fósforo
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
No involucra una fase gaseosa
El fosforo se absorbe como fosfato (PO4
3-)
El fósforo
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
El fosfato es absorbido por la raíz mediante transportadores específicos, con gasto de energía Se expresan distintos transportadores con distintas afinidades por el PO4
3- mayor afinidad a menor PO43- disponible
El PO43- se acumula en las vacuolas
Cuando el PO4
3- está combinado en moléculas orgánicas Cuando el suelo es alcalino o calcáreo Soluciones: • Liberación de fosfatasas: enzimas que liberan PO4
3- • Secreción de ácidos orgánicos para bajar el pH y atrapar cationes • Asociación con microorganismos
la planta no lo puede absorber
Adaptaciones a baja [fósforo]
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Secreción de ácidos orgánicos para bajar el pH y atrapar cationes En suelos muy pobres raíces proteoides (gén. Protea) aumentan la superficie de contacto con el suelo, exudan ácidos orgánicos
Adaptaciones a baja [fósforo]
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Asociaciones con microorganismos Ectomicorrizas: asociaciones específicas con hongos que aumentan significativamente la superficie de exposición al suelo y de intercambio de la raíz. El hongo no penetra la raíz, sólo la rodea
Adaptaciones a baja [fósforo]
Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
Asociaciones con microorganismos Endomicorrizas: asociaciones con hongos que aumentan significativamente la superficie de exposición al suelo y de intercambio de la raíz. El hongo penetra la células de la corteza radical. No son muy específicas, ocurren en el 80% de las plantas vasculares Micorriza arbuscular