Los rizobios son bacterias diazotróficas que fijan nitrógeno después de establecerse en el interior de los nódulos de las raíces de las leguminosas ( Fabaceae ). Para expresar genes para la fijación de nitrógeno , los rizobios requieren una planta huésped ; no pueden fijar nitrógeno de forma independiente . [1] En general, son bacilos gramnegativos , móviles y no esporulados .
Los rizobios son un "grupo de bacterias del suelo que infectan las raíces de las leguminosas para formar nódulos radiculares ". [2] Los rizobios se encuentran en el suelo y, después de la infección, producen nódulos en la leguminosa 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 leguminosa. Una vez que la leguminosa muere, el nódulo se descompone y libera los rizobios nuevamente al suelo, donde pueden vivir individualmente o reinfectar una nueva legumbre huésped. [2]
La primera especie conocida de rizobios, Rhizobium leguminosarum , se identificó en 1889, y todas las demás especies se incluyeron inicialmente en el género Rhizobium . La mayor parte de las investigaciones se han realizado sobre leguminosas agrícolas y forrajeras como el trébol , la alfalfa , los frijoles , los guisantes y la soja ; Se están realizando más investigaciones sobre las legumbres de América del Norte. [ cita necesaria ]
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 Hyphomicrobianes , pero varios rizobios se encuentran en distintos órdenes bacterianos de 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 quedar cantidades significativas en el suelo para futuros cultivos. 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 que más comúnmente se suministra a las plantas. El suministro de nitrógeno a través de fertilizantes plantea graves problemas medioambientales .
Se necesitan cepas específicas de rizobios para crear nódulos funcionales en las raíces capaces de fijar el N 2 . [9] Tener estos rizobios específicos presentes es beneficioso para la leguminosa, ya que la fijación de N 2 puede aumentar el rendimiento del cultivo. [10] La inoculación con rizobios tiende a aumentar el rendimiento. [11]
La inoculación de leguminosas 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 inoculante ideal incluye algunos de los siguientes aspectos; máxima eficacia, facilidad de uso, compatibilidad, alta concentración de rizobios, larga vida útil, utilidad en diferentes condiciones de campo y capacidad de supervivencia. [10] [12] [13]
Estos inoculantes pueden fomentar el éxito en el cultivo de leguminosas. [14] Como resultado del proceso de nodulación, después de la cosecha del cultivo, hay niveles más altos de nitrato en el suelo, que luego puede ser utilizado por el siguiente cultivo.
Los rizobios son únicos porque son las únicas bacterias fijadoras de nitrógeno que viven en una relación simbiótica con las leguminosas . Las leguminosas agrícolas y forrajeras comunes son los guisantes, los frijoles, el trébol y la soja.
La simbiosis leguminosa-rizobio es un ejemplo clásico de mutualismo : los rizobios suministran amoníaco 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 cada planta individual, se presenta una tragedia clásica del escenario de los bienes comunes . Las cepas tramposas pueden acaparar recursos vegetales como el polihidroxibutirato en beneficio de su propia reproducción sin fijar una cantidad apreciable de nitrógeno . [15] 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 comprendido para el establecimiento de esta simbiosis es la infección intracelular. Los rizobios viven libremente 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, lo que desencadena la acumulación de una gran población de células y, finalmente, su adhesión a la raíz. pelos . [16] [17] Estos flavonoides luego promueven 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 ingresado a la raíz del cabello. [17] Los factores de asentimiento desencadenan una serie de cambios complejos de desarrollo dentro del cabello de la raíz, comenzando con el rizado del cabello de la raíz y seguido por la formación del hilo de infección, un tubo revestido de celulosa que las bacterias usan para viajar a través del cabello de la raíz hasta la raíz. células. [18] Las bacterias luego infectan varias otras células de la raíz adyacentes. A esto le sigue una proliferación celular continua, que da como resultado la formación del nódulo radicular . [16] Un segundo mecanismo, utilizado especialmente por los rizobios que infectan huéspedes acuáticos, se llama entrada por grieta. En este caso, no se observa ninguna deformación del pelo radicular. En cambio, las bacterias penetran entre las células a través de grietas producidas por la emergencia lateral de las raíces. [19]
Dentro del nódulo, las bacterias se diferencian morfológicamente en bacteroides y fijan el nitrógeno atmosférico en amonio mediante la enzima nitrogenasa . Luego, el amonio se convierte en aminoácidos como glutamina y asparagina antes de exportarse a la planta. [16] A cambio, la planta suministra a las bacterias carbohidratos en forma de ácidos orgánicos. [16] La planta también proporciona el oxígeno bacteroide para la respiración celular , estrechamente unido por leghemoglobinas , proteínas vegetales similares a las hemoglobinas humanas . Este proceso mantiene el nódulo pobre en oxígeno para evitar la inhibición de la actividad de la nitrogenasa . [dieciséis]
Recientemente, se descubrió que una cepa de Bradyrhizobium forma nódulos en Aeschynomene sin producir factores de asentimiento, lo que sugiere la existencia de señales de comunicación alternativas distintas a los factores de asentimiento, que posiblemente impliquen la secreción de la hormona vegetal citoquinina. [16] [20]
Se ha observado que los nódulos radiculares pueden formarse espontáneamente en Medicago sin la presencia de rizobios. [21] Esto implica que el desarrollo del nódulo está controlado completamente por la planta y simplemente desencadenado por la secreción de factores nod .
Hay dos hipótesis principales sobre el mecanismo que mantiene la simbiosis leguminosa-rizobio (aunque ambas pueden ocurrir en la naturaleza). La hipótesis de las sanciones teoriza que las leguminosas no pueden reconocer los rizobios más parásitos o menos fijadores de nitrógeno y deben contrarrestar el parasitismo mediante sanciones a las leguminosas posteriores a la infección. En respuesta a los rizobios de bajo rendimiento, los huéspedes de leguminosas pueden responder imponiendo sanciones de diversa gravedad a sus nódulos. [22] 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 no pueden reproducirse. [23] Por lo tanto, con el desarrollo de una relación simbiótica, si la hipótesis de las sanciones al anfitrión es correcta, las sanciones al anfitrión deben actuar hacia nódulos completos en lugar de bacterias individuales porque las sanciones dirigidas individualmente evitarían que cualquier rizobio en reproducción prolifere con el tiempo. Esta capacidad de reforzar una relación mutua con sanciones del anfitrión empuja la relación hacia el mutualismo en lugar del parasitismo y es probablemente un factor que contribuye a explicar por qué existe la simbiosis.
Sin embargo, otros estudios no han encontrado evidencia de sanciones a las plantas. [24]
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 rizobios que no engañan. Hay pruebas de sanciones en las plantas de soja, que reducen la reproducción de rizobios (quizás limitando el suministro de oxígeno) en nódulos que fijan menos nitrógeno. [25] Del mismo modo, las plantas de altramuz silvestres asignan menos recursos a los nódulos que contienen rizobios menos beneficiosos, lo que limita la reproducción de rizobios en el interior. [26] Esto es consistente con la definición de sanciones, aunque los autores la llaman "elección de socio". Algunos estudios apoyan la hipótesis de la elección de pareja. [27] Si bien ambos mecanismos sin duda contribuyen significativamente a mantener la cooperación entre los rizobios, en sí mismos no explican completamente la persistencia del mutualismo . La hipótesis de la elección de pareja no es exclusiva de la hipótesis de las sanciones al anfitrión, ya que es evidente que ambas prevalecen en la relación simbiótica. [28]
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. [29] [30] 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. [31] Cuando aumenta la aptitud relativa de ambas especies, la selección natural favorecerá la simbiosis.
Para comprender la historia evolutiva de esta simbiosis, es útil comparar la simbiosis rizobios-leguminosas con una relación simbiótica más antigua, como la que existe entre hongos endomicorrizas y plantas terrestres, que se remonta a hace casi 460 millones de años. [32]
La simbiosis endomicorrízica puede proporcionar muchos conocimientos sobre la simbiosis de rizobios porque estudios genéticos recientes han sugerido que los rizobios cooptaron las vías de señalización de la simbiosis endomicorrízica más antigua. [33] 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. [34]
Es probable que los rizobios hayan adoptado las características que ya existen para la simbiosis endomicorrízica porque hay muchos genes compartidos o similares involucrados en los dos procesos. Por ejemplo, el gen de reconocimiento de plantas SYMRK (quinasa similar a un receptor de simbiosis) está involucrado en la percepción tanto de los factores rizobios Nod como de los Myc-LCO endomicorrízicos. [35] Los procesos similares compartidos habrían facilitado enormemente la evolución de la simbiosis rizobiana porque no habrían sido necesarios desarrollar todos los mecanismos simbióticos. En cambio, los rizobios simplemente necesitaban desarrollar mecanismos para aprovechar los procesos de señalización simbiótica que ya existían a partir de la simbiosis endomicorriza.
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 leguminosas. Las bacterias que sí se asocian con plantas incluyen el actinomiceto Frankia , que forma nódulos de raíces simbióticos en plantas actinorrícicas , aunque estas bacterias tienen una gama de huéspedes mucho más amplia, lo que implica que la asociación es menos específica que en las leguminosas. [16] Además, varias cianobacterias como Nostoc están asociadas con helechos acuáticos , Cycas y Gunneras , aunque no forman nódulos. [36] [37]
Además, se ha informado que bacterias vegetales vagamente asociadas, denominadas endófitos , fijan nitrógeno en la planta . [38] Estas bacterias colonizan los espacios intercelulares de hojas, tallos y raíces de las plantas [39] pero no forman estructuras especializadas como rizobios y Frankia . Los endófitos bacterianos diazotróficos tienen rangos de huéspedes muy amplios y en algunos casos colonizan tanto monocotiledóneas como dicotiledóneas . [40]