clase 15

Ecología microbiana del suelo
Interacciones clave donde participan mo. Fijación de
Nitrógeno, Micorrizas.
Clase 15
Microbiología Ambiental
2016
rizósfera
Zona de influencia de las raíces:
-mayor abundancia de organismos
-influencia estructura del suelo
-zona de grandes interacciones
A=Ameba predando sobre bacterias
BL= Bacterias limitadas
BU= Bacterias no limitadas
RC= carbono derivado de las raíces
SR=Células de pelos radiculares
F= hifa de hongo
N=Nematodo
Fijación Biológica de Nitrógeno
Fijación de Nitrógeno: combinación de nitrógeno
molecular (N2) con oxígeno o hidrógeno para formar
compuestos pueden incorporarse por los seres vivos
-Fijación química (natural por descargas, combustión o artificial
durante síntesis de fertilizantes)
-Fijación biológica (proceso mediado exclusivamente por
microorganismos)
Anualmente se fijan 250 millones de toneladas de N,
150 son por FBN
Fijación Biológica de Nitrógeno
•  Utilización de N2 (gas) como fuente de
nitrógeno para biosíntesis
•  Proceso exclusivamente procariota (bacs y
arqueas)
•  En el ambiente el N suele ser limitante, la
fijación confiere ventajas
Bacterias fijadoras de Nitrógeno
(Rappé & Giovannoni, 2003)
Fijación de Nitrógeno
Fijación de Nitrógeno
Fijación de Nitrógeno
Reducción de N2 a NH3
Catalizada por el complejo
nitrogenasa
Consume mucha energía, el
triple enlace es muy
estable, el N2 es muy inerte
Fijación de Nitrógeno
dinitrogenasa
reductasa
Co-factor Hierro- Molibdeno (FeMo-co)
dinitrogenasa
Fijación de Nitrógeno
La fijación es de naturaleza muy reductora, el O2 inhibe el
proceso
La dinitrogenasa reductasa es inactivada de forma rápida e
irreversible
Fijación Biológica de Nitrógeno
en simbiosis planta-mo
Un poco de historia…
-siglo XVI Leonhard Fuchsius dibujó leguminosas noduladas
-siglo XVII, Malpighi observó nódulos en raíces de judía
(Phaseolus vulgaris) y de haba (Vicia faba)
-fin del siglo XIX Woronin detectó la presencia de bacterias en nódulos de lupino y
alisos. Frank demostró que en suelos quemados no se producían nódulos (Frank B.,
1879)
Hellriegel y Wilfarth , demostraron en varias leguminosas el requerimiento de una
infección previa para la formación del nódulo (Hellriegel H. y Wilfarth H., 1888).
Beijerinck corroboró la necesidad de una infección bacteriana para la formación del
nódulo infectando plantas de Vicia faba con cultivos puros procedentes de nódulos de
dicha leguminosa (Beijerinck M.W., 1888).
Fijación Biológica de Nitrógeno en
simbiosis planta-mo
Rizobiáceas:
Familias
Rhizobiaceae,
Phyllobacteriaceae,
Hyphomicrobiaceae y
Bradyrhizobiaceae
Sólo algunos géneros fijan N:
Rhizobium,
Sinorhizobium,
Meshorizobium,
Bradyrhizobium, Azorhizobium
y Allorhizobium
Fijación Biológica de Nitrógeno
en simbiosis planta-mo
Las rizobiáceas no pueden generar un
ambiente anaerobio o microaerobio.
tienen que estar en inmediaciones de
plantas de la familia de las Fabáceas e
interactuar con ellas
originando el nódulo simbiótico
Pasos para la formación de los
nódulos
1) Intercambio de señales químicas entre la planta y el microorganismo.
2) Activación del ciclo celular en células del córtex e iniciación del nuevo
órgano en la planta.
3) Infección por parte de la bacteria, formación del canal de infección e
invasión de los tejidos recién formados.
4) Diferenciación de la bacteria a forma especializada.
Pasos para la formación de los
nódulos
1) Intercambio de señales de naturaleza química entre la
planta y el microorganismo.
-Las raíces de las plantas
excretan flavonoides
-Los rizobios son atraídos y se
mueven hacia las raíces
-A concentraciones más altas, los
flavonoides activan en los rizobios
los genes nod
Flavonoide derivado del 2–fenil–1,4–
benzopirona
Pasos para la formación de los
nódulos
1) Intercambio de señales de naturaleza química entre la
planta y el microorganismo.
-Los genes nod codifican para los
factores nod
-factores nod son lipoquitooligosacáridos
(LCOs) compuestos por un esqueleto de
N–acetil–D–glucosamina unidos por
enlaces β–1,4
-presentan diferencias dependiendo de la
cepa de Rhizobium otorgando
especificidad al proceso de nodulación
Pasos para la formación de los
nódulos
2) Activación del ciclo celular en células del córtex e iniciación
del nuevo órgano en la planta.
-Los factores nod disparan la deformación de los pelos
radiculares (activan división celular)
Pasos para la formación de los
nódulos
3) Infección por parte de la bacteria, formación del canal de
infección e invasión de los tejidos recién formados.
-Rol de eps para unión a raíz
-liberación de moléculas por parte
de la planta y las bacterias
-control de la planta
Pasos para la formación de los
nódulos
3) Infección por parte de la bacteria, formación del canal de
infección e invasión de los tejidos recién formados.
Pasos para la formación de los
nódulos
4) Desarrollo del nódulo y Diferenciación de la bacteria a forma
especializada
Nódulos determinados e indeterminados
Pasos para la formación de los
nódulos
4) Desarrollo del nódulo y Diferenciación de la bacteria a forma
especializada
Zona I o meristemática: células en
proliferación.
Zona II o de invasión: invasión bacteriana a
través de los canales de infección
Zona de prefijación: las células vegetales,
que aún no han finalizado su diferenciación
Interzona II y III: en esta franja, las células
vegetales finalizan su proceso de
diferenciación. Leghemoglobina
Zona III o de fijación: región totalmente
diferenciada en la que se realiza la fijación de
nitrógeno propiamente dicha. Simbiosomas
Zona IV o de senescencia: región en la base
del nódulo, comprendida por células
vegetales y bacterianas en degradación
Pasos para la formación de los
nódulos
4) Desarrollo del nódulo y Diferenciación de la bacteria a forma
especializada
Zona II o de invasión: Los rizobios en esta zona
aún poseen una forma cilíndrica y pueden
dividirse: bacteroides tipo 1.
Zona de prefijación: las células vegetales están
repletas de bacteroides de tipo 2 más
alargados que los de tipo 1.
Interzona II y III: Bacteroides de tipo 3 los
cuales presentan su tamaño final definitivo, así
como una heterogeneidad citoplasmática
característica.
Zona III o de fijación: simbiosomas con
bacteroide de tipo 4 con una estructura en
forma de “Y” o de “T” y con una heterogeneidad
citoplasmática notable, indicativa de su
maduración en forma fijadora de nitrógeno.
Pasos para la formación de los
nódulos
4) Desarrollo del nódulo y Diferenciación de la bacteria a forma
especializada
En un simbiosoma se pueden distinguir
los siguientes componentes:
1) Membrana peribacteroidea. Bomba de
protones, intercambio de amonio y
sustratos carbonados
2) Fluido peribacteroideo. Propiedades
líticas, si falla intercambio, muere el
simbiosoma!
3) Bacteroide
Intercambio mo-planta
-Los bacteroides dependen de la
planta p obtener la energía y enecesarios p reducción
-el amonio producido pasa a la
planta como glutamina y otros
comp. nitrogenados
Importancia ambiental y
económica de la FBN
La fijación de nitrógeno presenta un gran interés económico y ecológico.
-Práctica de rotación de cultivos.
-Las altas producciones de soja a nivel mundial son debidas a este proceso a
través de la aplicación de inoculante microbianos de calidad.
-Se da en todos los hábitats, es parte del ciclo biogeoquímico del nitrógeno,
recupera para la biosfera el que se pierde por desnitrificación (y otros
mecanismos).
-FBN un tema de intensa investigación a lo largo de los años.
Importancia ambiental y
económica de la FBN
Ej simbiosis muy efectiva:
Bradyrhizobium japonicumsoja (70% del N es
asimilado por la planta)
En Brasil se usa como
inóculo sin usar fertilizantes
industriales, 2do productor
de soja a nivel mundial
Importancia ambiental y
económica de la FBN
Otros ej. Actinorrizas, importantes en árboles, reforestación
En gramíneas es reto biotecnológico (Azospirillum) no
nódulos
Otros endofitos (ej Azoarcus) en plantas forrajeras
Acetobacter en caña de azúcar
Nasas alternativas, ej no inactivadas por O2
Micorrizas
4 cm
Simbiosis entre un hongo (mycos) y
las raíces (rhizos) de una planta.
la planta recibe del hongo nutrientes
minerales y agua, y el hongo obtiene
de la planta hidratos de carbono y
vitaminas
Se estima que la enorme mayoría de
las plantas terrestres presentan
micorrizas de forma habitual.
Aglaophyton major
Micorrizas
raíces de plantas leñosas de las familias Pinaceae,
Fagaceae (ej roble, castaño), Nothofagaceae
(cohiue), Myrtaceae (ej Eucaliptus) y
Dipterocarpaceae
+
hifas de hongos de los filos Basidiomycota,
Ascomycota y Glomeromycota.
Clasificación de Micorrizas
Ectomicorrizas: las hifas del hongo
no penetran en el interior de las
céluas de la raíz, sino que se ubican
sobre y entre las separaciones de
éstas. Forman manto externo visible.
Endomicorrizas. no hay manto
externo que pueda verse a simple
vista. Las hifas se introducen
inicialmente entre las células de la
raíz, pero luego penetran en el
interior de éstas
Micorrizas
Ectomicorrizas
-Al inicio de la colonización el hongo
forma un manto que rodea el ápice de la
raíz; luego otras hifas penetran el
espacio entre las células radiculares,
formando lo que se conoce como red
de Hartig.
-en la red de Hartig se lleva a cabo el
intercambio de nutrientes, minerales y
agua.
Clasificación de Micorrizas
Endomicorrizas
Vesículoarbusculares: son la mayoría,
forman las hifas en el interior de las
células forman vesículas alimenticias y
arbúsculos.
Orquidoides o micorrizas de ovillo:
Micorrizas de orquídeas, imprescindibles
para su desarrollo y vida juvenil. En
estado adulto, la planta puede llegar a
independizarse del hongo en algunos
casos.
Ericoides: tipo más sencillo y simple.
Penetra en las células para formar
ovillos.
.
Clasificación de Micorrizas
Ectoendomicorrizas: presentan
manto externo, pero también
penetran en el interior de las
células. No existen vesículas ni
arbúsculos. Se observan tanto en
Basidiomycota como Ascomycota
y son más abundantes en
angiospermas que en
gimnospermas. Poco específicas
-Arbutoides: manto externo y
penetración en las células, donde
forman rulos.
-Monotropoides: la forma de
penetración en las células es
algo diferente.
Infección
-se supone que está
mediada por señales
químicas (flavonoides,
fitoalexinas, CO2)
-la distribución y velocidad
de crecimiento del hongo
es regulada por los
canales de aire del
parénquima.
-Poco específica
-La infección de la raíz por
el hongo se produce a partir
de esporas y trozos de hifas
presentes en el suelo.
Infección
Las hifas se ramifican en la vecindad
de la raíz hospedante, en respuesta a
exudados
El paso siguiente es la formación del
apresorio entre las células. Son
necesarias señales bioquímicas y o
topográficas sobre la superficie de la
raíz.
La penetración de la célula se lleva a
cabo por la producción localizada de
enzimas hidrolíticas de pared,
ayudadas por la presión ejercida por
el ápice hifal.
Intercambio de nutrientes
-La movilización de nutrientes hacia la planta se puede dar por vía
enzimática que le permite al hongo utilizar nitrógeno orgánico y fósforo, o
por la liberación de ácidos orgánicos movilizando calcio, magnesio y potasio,
entre otros.
-Las hifas excretan ácido oxálico y carbónico que ayudan a desgastar las
superficies rocosas; además el diámetro que presenta el ápice de una hifa le
permite explorar zonas donde la planta normalmente no llega
-En algunos casos las plantas se benefician digiriendo el hongo y
aprovechando sus productos.
Intercambio de nutrientes
Mecanismo de absorción del P:
-En el suelo, la concentración de ortofosfato inorgánico soluble es menor que
todos los otros nutrientes (0.01- 2 mM) y la concentración interna en las
células vegetales oscila alrededor de 5 mM
-el fosfato debe llegar a la hifa en contra de un gradiente de 1.000 a 10.000.
-Translocación del P: el P se acumula en el interior del hongo bajo la forma
de polifosfatos (osmóticamente inactivo). El polifosfato insoluble mantiene una
concentración interna baja de P, y posibilita que las hifas continúen
absorbiendo P del suelo.
Luego se transloca como gránulos por la corriente citoplásmica o podría
acumularse, tanto en las hifas, como en los arbúsculos, este proceso es de
transporte pasivo.
Finalmente la transferencia del fósforo a la planta es a través de los
arbúsculos. Ellos poseen fosfatasas que degradan los polifosfatos a formas
solubles.
Intercambio de nutrientes
Efectos sobre la planta
-es capaz de explorar más volumen de
suelo del que alcanza con sus raíces, al
sumársele las hifas del hongo
- c apta con mayor facilidad ciertos
elementos (fósforo, nitrógeno, calcio y
potasio) y agua del suelo.
- La protección brindada por el hongo hace
que, la planta sea más resistente a los
cambios de temperatura y la acidificación
del suelo derivada de la presencia de
azufre, magnesio y aluminio.
- algunas reacciones fisiológicas del hongo
inducen a la raíz a mantenerse activa
durante más tiempo que si no estuviese
micorrizada.
Efectos sobre la planta
-mejor crecimiento en suelos pobres
-mayor longevidad de la planta ej pino
-en otras especies, esta unión es tan
estrecha que sin ella la planta no
puede subsistir, ej orquídeas. Las
semillas carecen de endosperma.
-protección frente a patógenos
-plantas parásitas (ej Monotropa)
-conexión entre plantas, mantenimiento
de la diversidad
Efectos en el suelo
Reducen la pérdida de nutrientes por percolación, en los suelos forestales
típicamente pobres este fenómeno es de gran importancia
Frenar la erosión y la desertificación, pues producen una re-vegetación con especies
arbustivas autóctonas, y posteriormente ello conduce a la recuperación del suelo.
Preparados comerciales
Relación FNB-Micorrizas
Próxima clase:
Interacciones
Las microrrizas fueron descubiertas por el botánico polaco
Franciszek Dionizy Kamieński, en 1879 - 1882.6 Fueron bautizadas con el
nombre que llevan actualmente por el botánico alemán
Albert Bernhard Frank, en 1885, tras detectar su presencia en varios
árboles frutales.7 En 1900, el francés Bernard descubrió su extrema
importancia en la vida y desarrollo de las orquídeas. En 1910 comenzó a
extenderse su estudio en las plantas utilizadas en agricultura y jardinería.
No obstante, no fue hasta 1955, con la publicación de los primeros
estudios de Mosse en Inglaterra, cuando las micorrizas dejaron de
considerarse como excepciones y se aceptó su importancia y generalidad
reales. En tiempos más recientes, numerosos hallazgos fósiles han
permitido determinar que el origen y presencia de las micorrizas son
enormemente antiguos, pues se han llegado a encontrar esporas de
Glomeromycota en estratos de hasta 460 millones de años de antigüedad,
pertenecientes al periodo Ordovícico. Las formas arbusculares ya se
encuentran bastante extendidas en el momento de aparición de las
primeras plantas terrestres en el registro fósil, hace 400 millones de años.
Estas plantas, como la especie Aglaophyton major, carecían de auténticas
raíces, presentando únicamente un tallo subterráneo o rizoma del que
sobresalían varios tallos aéreos. La absorción de nutrientes, por tanto
recaía casi exclusivamente sobre el hongo micorrícico, por lo que se
puede decir que la presencia de éstos fue imprescindible para la extensión
de la vida vegetal a tierra firme, tras la cual llegarían posteriormente los
animales.