¿Fijamos nitrógeno? le dijo la bacteria a la planta

"Ciencias de la Naturaleza", "Conocimiento del Medio" o "Naturales"... el nombre de la asignatura ha cambiado con el tiempo pero en algún momento de nuestra vida estudiamos con ella los ciclos de los elementos: carbono, nitrógeno, fósforo... ¿os acordáis? probablemente no.
Pues bien, en este post, vamos a repasar únicamente la importancia del nitrógeno para las plantas y concretamente, la FIJACIÓN BIOLÓGICA DEL NITRÓGENO llevada a cabo por microorganismos.
La fijación del nitrógeno puede tener lugar de manera abiótica mediante la formación de óxidos como consecuencia de la combustión de compuestos orgánicos, descargas eléctricas, etc, que son arrastrados al suelo por la lluvia o amonio por el proceso industrial Haber Bosch. También puede ser un proceso biótico, mediado por microorganismos que reducen el nitrógeno a amonio y es incorporado a la biosfera.

Ciclo del nitrógeno, de forma general

Supongamos que las necesidades de agua están cubiertas, que es mucho suponer. El siguiente factor limitante para el crecimiento de las plantas lo constituye el nitrógeno. Las plantas lo necesitan entre otras cosas para formar proteínas, ácidos nucleicos, hormonas, etc. de manera que si hay una deficiencia de nitrógeno, disminuye el crecimiento de la planta, el de sus hojas y sus frutos, y aparece la clorosis ante la imposibilidad de sintetizar clorofila (responsable del verde saludable de las plantas). Pero ojo!, que la clorosis no sólo puede deberse a una deficiencia de N sino también a otros factores.

Hojas cloróticas... verde que te quiero verde

El quid de la cuestión, es que a pesar de la abundancia de nitrógeno en la atmósfera (78%) la mayor parte del N disponible en suelo se encuentra en forma orgánica y las raíces únicamente pueden tomarlo en forma de iones nitrato (NO3-) y amonio (NH4+), por lo tanto, se requiere una actividad microbiológica que convierta el nitrógeno en asimilable para la planta.
Por ello, la fijación biológica de nitrógeno (FBN) tiene un enorme interés que ha determinado que sea objeto de intensa investigación desde que en 1888 fue descubierta, aunque empíricamente era ya aprovechada por los romanos cuando observaron el efecto beneficioso de la rotación de cultivos. Por dar un dato, de los 250 millones de toneladas de nitrógeno que se incorporan a la biosfera debido a la fijación del nitrógeno, 150 millones provienen de la fijación biológica. Desde el punto de vista ecológico, la FBN cobra mayor interés, dado que puede evitar el uso abusivo de fertilizantes nitrogenados, con el consiguiente ahorro en el consumo de energía y la disminución de la degradación del medio. Además, es importante señalar la importancia de la FBN en el mar, por la necesidad de nitrógeno asimilable disponible que requieren los océanos para actuar como sumideros del CO2 de la atmósfera.
Este proceso microbiano es llevado a cabo por procariotas en vida libre o en simbiosis.

Algunas de las bacterias o asociaciones biológicas
que llevan a cabo la fijación de nitrógeno en la naturaleza

Se trata de un proceso altamente consumidor de energía. El triple enlace que une los dos átomos de nitrógeno es difícil de romper. El trabajo lo lleva a cabo la enzima nitrogenasa consumiendo 16 moléculas de ATP por 1 de N2 reducido, según la ecuación:

Algunos fijadores libres, como Azotobacter, requieren hasta 100 unidades de equivalentes de glucosa por unidad de nitrógeno fijado. Por ello, su importancia agrícola es baja, pero se incrementa considerablemente en el caso de la fijación simbiótica, como la establecida entre Rhizobium y las leguminosas (a la que dedicaremos un merecido post en exclusiva), donde la relación disminuye a 6-12 unidades de glucosa consumidas por unidad de nitrógeno reducido. En este caso, además, la fuente de energía son los compuestos carbonados suministrados directamente por la planta derivados de la fotosíntesis, mientras que los fijadores libres han de tomarlos del suelo donde no existen en cantidad ni forma necesarias. De hecho, Azotobacter proporciona al suelo unos cientos de gramos de nitrógeno/Ha/año mientras que este valor llega a ser, en el caso de la asociación Rhizobium con alfalfa, trébol, guisante o soja, de unos ¡cientos de kilos!. A pesar de estas diferencias, la fijación simbiótica, aunque tenga mayor rendimiento, está limitada a unas pocas especies vegetales, entre ellas las leguminosas, de gran importancia económica y social. 
Aunque todos los organismos y sistemas fijadores de nitrógeno son susceptibles de ser aprovechados en agricultura y de hecho se pueden encontrar referencias en la bibliografía al respecto, hay algunos que son más útiles que otros, no sólo por la eficiencia del proceso y por los niveles de nitrógeno que incorporan, sino también, por el interés de los cultivos susceptibles de ser tratados. Los sistemas potencialmente más útiles, implican de una forma más o menos íntima, un hospedador con el que la bacteria establece la asociación beneficiosa.
Entre ellos, vamos a diferenciar tres sistemas.
1. El primero recoge lo que se llaman rizocenosis asociativas, por no formarse estructuras especializadas en las raíces en la asociación microbio-planta. Encontramos aquí, la asociación entre plantas C4 tipo maíz o caña de azúcar y Gluconobacter, Azoarcus, Herbaspirillum o Azospirillum. Aquí la bacteria fija nitrógeno a expensas del exudado radical, que aprovecha a la perfección cuando se lo encuentra al colonizar los espacios intercelulares del córtex de la raíz. En este caso (concretamente con Azospirillum) se ha demostrado que la mayor producción vegetal es debida a la capacidad de la bacteria de producir fitohormonas que determinan un mayor desarrollo de la raíz.
2. En un segundo sistema intervienen cianobacterias y algunas plantas entre las que ciertos helechos, como Azolla, pueden jugar un papel importante en la fertilización de los cultivos de arroz. Los niveles de nitrógeno aportados a estos cultivos pueden hacer al arroz bastante independiente de la fertilización nitrogenada. Esta práctica es frecuente especialmente en el Sudeste asiático, cómo no. Las cianobacterias han desarrollado estrategias especiales dirigidas a la convivencia de la fotosíntesis oxigénica con la fijación, a diferencia de Gleothece o Synechococcus, en las que ambos procesos están separados temporalmente, realizando la fotosíntesis de día y la fijación por la noche.
 

Azolla caroliniana o Helecho mosquito

Izquierda: Cianobacteria Spirulina vista al microscopio. Derecha: comprimidos de Spirulina
empleados como complemento nutricional por su alto contenido proteico de elevado
aporte biológico y vitamina B12

 3. En el tercer sistema, encontramos las endorrizobiosis mutualistas y dentro de estas, la actinorriza, que se establece entre Frankia (un actinomiceto) y algunas plantas leñosas, como el aliso o la casuarina. Desde el punto de vista agronómico, la más importante (y también formando parte de este tercer grupo), es la asociación Rhizobium-leguminosa. Ha sido y sigue siendo la más estudiada. Estas bacterias se suelen englobar dentro del término genérico de Rhizobium o rizobios, pero no olvidemos que encontramos géneros tan diversos como Rhizobium, Sinorhizobium, Allorhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium y Azorhizobium.
La mayoría de las especies de la familia Leguminosae forman esta asociación. En las raíces de estas plantas aparecen cuando son infectadas por Rhizobium, unas tumoraciones de distinta forma y tamaño, con un ligero color rosáceo debido al contenido de leghemoglobina, denominadas nódulos. En estas estructuras se lleva a cabo la fijación de nitrógeno.
Tranquilos, ahora no me extenderé en este tipo de asociación. Se conoce mucho sobre ella y como os digo, por ser la más estudiada y la más importante desde el punto de vista agronómico, merece un post solito para ella centrándonos en la fisiología y genética del proceso. De momento, fijaos en los nódulos que denotan la presencia de la bacteria.

Se puede pensar que desde el descubrimiento de la fijación biológica de nitrógeno en 1888 ya se ha investigado lo suficiente para aprovechar en agricultura todo el potencial de este proceso microbiano. Sin embargo, existen todavía muchos aspectos desconocidos o mejorables que requieren su estudio además de la posible extensión del carácter fijador a otros sistemas.
Lanzo una pregunta a la audiencia... ¿creéis que tiene futuro la investigación en FBN y su aplicación? ¿qué me decís vosotros?
Más información:

•  Megías, M., Rivilla, R., Soto, MJ., Delgado, MJ., González, E., Mateos, P., León, M., Rodelas, B., Bedmar, E. (2011) Fundamentos y aplicaciones agroambientales de las interacciones beneficiosas plantas-microorganismos. Sociedad Española de Fijación de Nitrógeno (SEFIN)
• Sociedad Española de Fijación de Nitrógeno
• Taxonomía actual de rizobios

PD: Este post participa en la XII Edición del Carnaval de Química, que en esta ocasión se aloja en el reciente blog Historias con Química de @mariadocavo, y en la X Edición del Carnaval de Biología en casa del "centenario" Scientia