Los rizobios son bacterias diazotróficas que fijan el nitrógeno después de establecerse dentro de los nódulos de las raíces de las leguminosas ( Fabaceae ). Para expresar genes para la fijación del nitrógeno , los rizobios requieren una planta hospedante ; no pueden fijar el nitrógeno de forma independiente . [1] En general, son bacilos gramnegativos , móviles y no esporulantes .
Los rizobios son un "grupo de bacterias del suelo que infectan las raíces de las legumbres para formar nódulos radiculares ". [2] Los rizobios se encuentran en el suelo y, después de la infección, producen nódulos en la legumbre donde fijan el gas nitrógeno (N 2 ) de la atmósfera, convirtiéndolo en una forma de nitrógeno más útil. Desde aquí, el nitrógeno se exporta desde los nódulos y se utiliza para el crecimiento de la legumbre. Una vez que la legumbre muere, el nódulo se descompone y libera los rizobios nuevamente en el suelo, donde pueden vivir individualmente o reinfectar a un nuevo huésped legumbre. [2]
La primera especie conocida de rizobios, Rhizobium leguminosarum , se identificó en 1889, y todas las demás especies se clasificaron inicialmente en el género Rhizobium . La mayor parte de la investigación se ha realizado en cultivos y leguminosas forrajeras como el trébol , la alfalfa , los frijoles , los guisantes y la soja ; se están realizando más investigaciones en leguminosas de América del Norte. [ cita requerida ]
Los rizobios son un grupo parafilético que se divide en dos clases de Pseudomonadota : las alfaproteobacterias y las betaproteobacterias . Como se muestra a continuación, la mayoría pertenece al orden Hyphomicrobiales , pero varios rizobios se encuentran en órdenes bacterianos distintos de los Pseudomonadota. [3] [4] [5] [6]
Estos grupos incluyen una variedad de bacterias no simbióticas . Por ejemplo, el patógeno vegetal Agrobacterium es un pariente más cercano de Rhizobium que el Bradyrhizobium que nodula la soja. [7]
Aunque gran parte del nitrógeno se elimina cuando se cosechan cereales o heno ricos en proteínas , pueden permanecer cantidades significativas en el suelo para cultivos futuros. Esto es especialmente importante cuando no se utilizan fertilizantes nitrogenados, como en los esquemas de rotación orgánica o en algunos países menos industrializados . [8] El nitrógeno es el nutriente más comúnmente deficiente en muchos suelos alrededor del mundo y es el nutriente vegetal más comúnmente suministrado. El suministro de nitrógeno a través de fertilizantes presenta graves preocupaciones ambientales .
Se requieren cepas específicas de rizobios para formar nódulos funcionales en las raíces capaces de fijar el N 2 . [9] La presencia de estos rizobios específicos es beneficiosa para la legumbre, ya que la fijación del N 2 puede aumentar el rendimiento del cultivo. [10] La inoculación con rizobios tiende a aumentar el rendimiento. [11] Se ha descubierto que los rizobios aumentan la resistencia de las legumbres a los insectos herbívoros, en particular cuando hay varias especies de rizobios presentes. [12]
La inoculación de legumbres ha sido una práctica agrícola durante muchos años y ha mejorado continuamente con el tiempo. [10] Anualmente se inoculan entre 12 y 20 millones de hectáreas de soja. Un inóculo ideal incluye algunos de los siguientes aspectos: máxima eficacia, facilidad de uso, compatibilidad, alta concentración de rizobios, larga vida útil, utilidad en condiciones de campo variables y capacidad de supervivencia. [10] [13] [14]
Estos inoculantes pueden fomentar el éxito en el cultivo de leguminosas. [15] Como resultado del proceso de nodulación, después de la cosecha del cultivo, hay niveles más altos de nitrato en el suelo, que luego pueden ser utilizados por el próximo cultivo.
Los rizobios son únicos porque son las únicas bacterias fijadoras de nitrógeno que viven en una relación simbiótica con las legumbres . Las legumbres forrajeras y de cultivo más comunes son los guisantes, los frijoles, el trébol y la soja.
La simbiosis entre leguminosas y rizobios es un ejemplo clásico de mutualismo : los rizobios aportan amoniaco o aminoácidos a la planta y, a cambio, reciben ácidos orgánicos (principalmente malato y succinato , que son ácidos dicarboxílicos ) como fuente de carbono y energía. Sin embargo, debido a que varias cepas no relacionadas infectan a cada planta individual, se presenta un escenario clásico de tragedia de los comunes . Las cepas tramposas pueden acaparar recursos de la planta, como el polihidroxibutirato, para el beneficio de su propia reproducción sin fijar una cantidad apreciable de nitrógeno . [16] Dados los costos involucrados en la nodulación y la oportunidad de que los rizobios hagan trampa, puede resultar sorprendente que exista esta simbiosis.
La formación de la relación simbiótica implica un intercambio de señales entre ambos socios que conduce al reconocimiento mutuo y al desarrollo de estructuras simbióticas. El mecanismo mejor entendido para el establecimiento de esta simbiosis es a través de la infección intracelular. Los rizobios viven libres en el suelo hasta que son capaces de detectar los flavonoides , derivados de la 2-fenil-1,4-benzopirona, que son secretados por las raíces de su planta huésped, desencadenando la acumulación de una gran población de células y, finalmente, la adhesión a los pelos radiculares . [17] [18] Estos flavonoides promueven entonces la actividad de unión al ADN de NodD, que pertenece a la familia LysR de reguladores transcripcionales y desencadena la secreción de factores nod después de que las bacterias han entrado en el pelo radicular. [18] Los factores nod desencadenan una serie de cambios complejos del desarrollo dentro del pelo radicular, comenzando con el rizado del pelo radicular y seguido por la formación del hilo de infección, un tubo revestido de celulosa que las bacterias utilizan para viajar a través del pelo radicular hasta las células de la raíz. [19] Las bacterias luego infectan otras células de la raíz adyacentes. A esto le sigue una proliferación celular continua, lo que resulta en la formación del nódulo radicular . [17] Un segundo mecanismo, utilizado especialmente por los rizobios que infectan a los huéspedes acuáticos, se llama entrada por grietas. En este caso, no se observa deformación de los pelos radiculares. En cambio, las bacterias penetran entre las células a través de grietas producidas por la emergencia de raíces laterales. [20]
Dentro del nódulo, las bacterias se diferencian morfológicamente en bacteroides y fijan el nitrógeno atmosférico en amonio utilizando la enzima nitrogenasa . Luego, el amonio se convierte en aminoácidos como glutamina y asparagina antes de ser exportado a la planta. [17] A cambio, la planta proporciona a las bacterias carbohidratos en forma de ácidos orgánicos. [17] La planta también proporciona oxígeno al bacteroide para la respiración celular , fuertemente unido por leghemoglobinas , proteínas vegetales similares a las hemoglobinas humanas . Este proceso mantiene al nódulo pobre en oxígeno para evitar la inhibición de la actividad de la nitrogenasa . [17]
Recientemente, se descubrió que una cepa de Bradyrhizobium forma nódulos en Aeschynomene sin producir factores nod, lo que sugiere la existencia de señales de comunicación alternativas además de los factores nod, posiblemente involucrando la secreción de la hormona vegetal citoquinina. [17] [21]
Se ha observado que los nódulos radiculares pueden formarse espontáneamente en Medicago sin la presencia de rizobios. [22] Esto implica que el desarrollo del nódulo está controlado completamente por la planta y simplemente desencadenado por la secreción de factores de nod .
Existen dos hipótesis principales para el mecanismo que mantiene la simbiosis entre legumbres y rizobios (aunque ambas pueden ocurrir en la naturaleza). La hipótesis de las sanciones plantea que las legumbres no pueden reconocer a los rizobios más parásitos o que fijan menos nitrógeno y deben contrarrestar el parasitismo con sanciones a las legumbres posteriores a la infección. En respuesta a los rizobios de bajo rendimiento, los huéspedes legumbres pueden responder imponiendo sanciones de diversa gravedad a sus nódulos. [23] Estas sanciones incluyen, entre otras, la reducción del crecimiento de los nódulos, la muerte temprana de los nódulos, la disminución del suministro de carbono a los nódulos o la reducción del suministro de oxígeno a los nódulos que fijan menos nitrógeno. Dentro de un nódulo, algunas de las bacterias se diferencian en bacteroides fijadores de nitrógeno, que se ha descubierto que son incapaces de reproducirse. [24] Por lo tanto, con el desarrollo de una relación simbiótica, si la hipótesis de las sanciones del anfitrión es correcta, las sanciones del anfitrión deben actuar sobre nódulos enteros en lugar de sobre bacterias individuales, porque las sanciones dirigidas a individuos impedirían que cualquier rizobio que se reproduzca prolifere con el tiempo. Esta capacidad de reforzar una relación mutua con las sanciones del anfitrión empuja la relación hacia el mutualismo en lugar del parasitismo y es probablemente un factor que contribuye a la existencia de la simbiosis.
Sin embargo, otros estudios no han encontrado evidencia de sanciones a las plantas. [25]
La hipótesis de elección de pareja propone que la planta utiliza señales de prenodulación de los rizobios para decidir si permite la nodulación, y elige sólo los rizobios que no hacen trampas. Hay evidencia de sanciones en plantas de soja, que reducen la reproducción de rizobios (quizás al limitar el suministro de oxígeno) en nódulos que fijan menos nitrógeno. [26] De la misma manera, las plantas de lupino silvestre asignan menos recursos a los nódulos que contienen rizobios menos beneficiosos, lo que limita la reproducción de rizobios en su interior. [27] Esto es consistente con la definición de sanciones, aunque los autores las denominan "elección de pareja". Algunos estudios apoyan la hipótesis de elección de pareja. [28] Si bien ambos mecanismos sin duda contribuyen significativamente a mantener la cooperación rizobiana, no explican por sí mismos por completo la persistencia del mutualismo . La hipótesis de elección de pareja no es exclusiva de la hipótesis de sanciones del anfitrión, ya que es evidente que ambas prevalecen en la relación simbiótica. [29]
La simbiosis entre los rizobios fijadores de nitrógeno y la familia de las leguminosas ha surgido y evolucionado durante los últimos 66 millones de años. [30] [31] Aunque la evolución tiende a inclinarse hacia una especie que se aprovecha de otra en forma de no cooperación en el modelo del gen egoísta, la gestión de dicha simbiosis permite la continuación de la cooperación. [32] Cuando aumenta la aptitud relativa de ambas especies, la selección natural favorecerá la simbiosis.
Para entender la historia evolutiva de esta simbiosis, es útil comparar la simbiosis rizobio-legumbre con una relación simbiótica más antigua, como la que existe entre los hongos endomicorrizas y las plantas terrestres, que se remonta a hace casi 460 millones de años. [33]
La simbiosis endomicorrícica puede proporcionar muchos conocimientos sobre la simbiosis de los rizobios, ya que estudios genéticos recientes han sugerido que los rizobios han adoptado las vías de señalización de la simbiosis endomicorrícica más antigua. [34] Las bacterias secretan factores Nod y las endomicorrizas secretan Myc-LCO. Tras el reconocimiento del factor Nod/Myc-LCO, la planta procede a inducir una variedad de respuestas intracelulares para prepararse para la simbiosis. [35]
Es probable que los rizobios hayan adoptado las características ya existentes para la simbiosis endomicorrícica porque hay muchos genes compartidos o similares involucrados en los dos procesos. Por ejemplo, el gen de reconocimiento de plantas SYMRK (quinasa similar al receptor de simbiosis) está involucrado en la percepción tanto de los factores Nod rizobiales como de los Myc-LCO endomicorrícicos. [36] Los procesos similares compartidos habrían facilitado en gran medida la evolución de la simbiosis rizobial porque no habría sido necesario desarrollar todos los mecanismos simbióticos. En cambio, los rizobios simplemente necesitaron desarrollar mecanismos para aprovechar los procesos de señalización simbiótica ya establecidos a partir de la simbiosis endomicorrícica.
Muchas otras especies de bacterias son capaces de fijar nitrógeno ( diazótrofos ), pero pocas son capaces de asociarse íntimamente con plantas y colonizar estructuras específicas como los nódulos de las legumbres. Las bacterias que se asocian con plantas incluyen el actinomiceto , Frankia , que forma nódulos radiculares simbióticos en plantas actinorícicas , aunque estas bacterias tienen un rango de hospedadores mucho más amplio, lo que implica que la asociación es menos específica que en las legumbres. [17] Además, varias cianobacterias como Nostoc están asociadas con helechos acuáticos , Cycas y Gunneras , aunque no forman nódulos. [37] [38]
Además, se ha informado que las bacterias vegetales asociadas de forma vaga, denominadas endófitos , fijan el nitrógeno en la planta . [39] Estas bacterias colonizan los espacios intercelulares de las hojas, los tallos y las raíces de las plantas [40] pero no forman estructuras especializadas como los rizobios y Frankia . Los endófitos bacterianos diazotróficos tienen rangos de hospedadores muy amplios, en algunos casos colonizando tanto monocotiledóneas como dicotiledóneas . [41]