Inoculación de leguminosas con Rhizobium

1. Resumen
2. Introducción y Antecedentes
3. Fijación biológica de nitrógeno
4. Simbiosis Rhizobium-leguminosa
6. Bibliografía

Resumen

La producción agrícola basada en leguminosas es fundamental para la alimentación humana, especialmente si es en equilibrio con el ambiente. Por ello la interacción natural de estas plantas con una bacteria del suelo a nivel de la raíz, es ecológicamente importante, como medida para evitar el uso excesivo de fertilizantes nitrogenados que deterioran el suelo y contaminan el ambiente.

El objetivo de esta revisión es analizar brevemente parte de la información sobre el potencial de la bacteria del género Rhizobium para fijar N2, en simbiosis con leguminosas, para emplearse en la producción sustentable de esta planta. Esta bacteria del suelo pertenece a la familia Rhizobiacea con tres géneros Rhizobium, Bradyrhizobuim y Azorhizobium, clasificados según su capacidad para nodular leguminosa, divididas en tres subfamilias Caesalpinoidea, Mimosoidea y la Papilionoidea en cada una el patrón de la nodulación es diferente.

La fijación biológica del N2, solo se observa cuando la bacteria reconoce a su hospedero, lo infecta a través de los pelos radicales para que en la matriz de las células corticales induzca una meiosis y mitosis acelerada que da lugar a un tejido hipetrofiado: El nódulo en el sistema radical de la leguminosa para entonces Rhizobium ha perdido su pared celular y se ha transformado en un bacteroide, mientras que por la enzima llamada nitrogenasa fija el N2 y lo convierte en amonio, que luego transfiere al ribosoma vegetal para la síntesis de proteínas vegetales; simultáneamente por la fotosíntesis la leguminosa reduce el C02 en carbohidratos que servirán como fuente de carbono y energía para Rhizobium, y con ella al aumentar la reserva de la glucosa mantenerlo activo en el nódulo hasta cubrir las necesidades de N de la planta.

Por tanto el uso de inoculantes a base de Rhizobium que reducen la aplicación de fertilizantes químicos al suelo; incrementan el contenido de N en el cultivo vegetal, su peso seco y mantienen el rendimiento en las leguminosas, lo que en consecuencia al bajar su costo de producción y la contaminación de mantos acuíferos y suelos, es vital para una agricultura sustentable.

Palabras clave: leguminosas, nódulos, fijación biológica del nitrógeno, inoculante.

I. Introducción y Antecedentes

Las leguminosas en México forman parte fundamental de la dieta de sus habitantes, a pesar de que un alto por ciento de los suelos mexicanos son pobres en nutrientes esenciales (Coronado et al., 1995), como el nitrógeno (N), necesario para la síntesis de proteínas y clorofila, por ello se requiere aplicar fertilizante nitrogenado. En general la reserva de N en la naturaleza como N2 es del 70%, aunque las plantas solo lo absorben y asimilan como amonio y/o nitratos, de ahí la necesidad de usar esta clase fertilizantes químicos (Alexander, 1980), los que aplicados irracionalmente, tienen un elevado costo, una acción desgastadora del suelo y contaminan el ambiente. Lo anterior obliga a buscar alternativas de solución que reduzcan su uso, pero que mantengan el rendimiento del cultivo vegetal.

Se considera que la fijación biológica del nitrógeno (FBN) es una de las alternativas mas viables para recuperar N en el ecosistema (Kimball, 1980), se ha estimado que 175 millones de toneladas/año se fijan biológicamente, del cual el 70% va al suelo (Burity et al., 1989) y de éste, el 50% proviene de asociaciones nodulares como las causadas por Rhizobium (Carrera et al., 2004; Long, 1989).

La FBN es una ventaja para las leguminosas ya que pueden tomar nitrógeno del aire a través de la simbiosis con Rhizobium (Luna y Sánchez-Yáñez, 1991; Sanaratne et al., 1987). Esta es una manera de reducir la cantidad del N derivado de fertilizantes al incrementar la proporción de N2 fijado vía Rhizobium. Por eso se asegura el máximo beneficio de la asociación mediante el establecimiento de una bacteria que reúna cualidades de competencia y efectividad para fijar N2 en las raíces de la leguminosa. En los suelos agrícolas la asociación Rhizobium-leguminosa es la más importante fuente de N, pues se ha reportado que en las leguminosas noduladas, bajo determinadas condiciones ambientales (suelos pobres en este elemento), como se presenta en el cuadro 1, pueden fijar hasta los 100 kg N2/Ha/año (FAO, 1995). Este mecanismo provee la demanda del N para satisfacer las necesidades nutricionales más importantes de la planta.

El propósito de está revisión es proporcionar información esencial sobre la asociación Rhizobium-leguminosa y su potencial como inoculante en producción agrícola, en un marco del uso razonable de los recursos naturales sin daño ambiental.

II. Fijación biológica del nitrógeno.

La FBN es un proceso exclusivo de algunos procariotes para usar el N2 del aire y reducirlo a amoniaco con la enzima nitrogenasa, (Kimball, 1980) para la síntesis de proteínas. De acuerdo con el mecanismo bioquímico para obtener la energía que les permita fijar el N2 existen bacterias fotoautotróficas, quimiolitotroficas y heterotroficas de vida libre e el suelo, asociados o en simbiosis en las hojas y/o raíces de plantas. El ejemplo más conocido e investigado incluso a nivel molecular (Vanderleyden y Pieternel, 1995), es la relación entre las leguminosas y Rhizobium. Aunque los dos simbiotes pueden supervivir independientemente, solo cuando la bacteria coexiste íntimamente con la leguminosa se da la fijación del N2 (Sandowsky et al., 1995).

Potencial de la asociación rhizobium-leguminosa

Bajo condiciones favorables, leguminosas como haba y chícharo pueden utilizar el 80-90% de sus requerimientos de nitrógeno a través de la fijación simbiótica, mientras que la soya

obtiene del 40 al 60% (Sánchez-Yáñez, 1997). En experimentos realizados con R leguminosarum en haba, lenteja y soya se incrementó significativamente la nodulación, el peso seco de las leguminosas, su contenido en nitrógeno y su rendimiento (Carrera et al., 2004).

Los simbiotes

La bacteria Rhizobium es un bacilo corto algunas veces pleomorfico, Gram negativo, aerobio, no forma espora, móvil por flagelos perítricos o un solo flagelo lateral (FAO, 1995). Pertenece a la familia Rhizobiacea, este es un género heterótrofo, común en el suelo, su temperatura óptima de crecimiento en condiciones artificiales es de 25oC y su tolerancia al pH entra de 5 a 8. La base para su clasificación es su capacidad para nodular con leguminosas específicas como la presenta en la tabla 1 (Kimball, 1980). El nódulo es una hipertrofia de la raíz, un organo especializado donde se realiza la fijación del N2 (Sanaratne et al., 1987). Existen tres géneros de esta familia: Rhizobium, Bradyrhizobium (Badar y Moawad, 1991) y Azospirillum (Burity et al., 1989) de clara diversidad genética entre sí, por ello es bien conocido que los tres géneros están lejanamente relacionados (Vanderleyden y Pieternel, 1995).

Las leguminosas son angiospermas del phyllum Rosaseae y se clasifican en las subfamilias: Mimosoidea, Caesalpinoidea y Papilionoidea (Long, 1989), esta es una familia diversificada que incluye árboles, arbustos, plantas herbáceas y cultivadas para el consumo humano, la ganadería y la industrial (maderas, aceites), etc. Otras especies no cultivadas son importantes en la naturaleza, pero solo 20 especies de la familia Papilionoideae son de consumo humano. En las familias existen géneros que forman nódulos, pero el porcentaje de nodulación es diferente y dependiente de sus características genéticas, ya que el genotipo de la planta en las raíces, restringen la nodulación (Thies et al., 1992).

III. Simbiosis rhizobium-leguminosa

El establecimiento de la simbiosis para atrapar el N2 entre Rhizobium y la leguminosa es un proceso complejo, donde la formación de nódulos la captación del N2 se da en etapas sucesivas. Rhizobium induce en la leguminosa el desarrollo de nódulos en su raíz, los dos organismos establecen una cooperación metabólica, las bacterias reducen N2 a amonio (NH4), el cual exportan al tejido vegetal para su asimilación en proteínas y otros compuestos nitrogenados complejos, las hojas reducen el C02 en azúcares durante la fotosíntesis y lo transportan a la raíz donde los bacteroides de Rhizobium lo usan como fuente de energía para proveer ATP al proceso de inmovilizar N2.

La asociación se inicia con el proceso de infección, cuando las bacterias son estimuladas por los exudados radicales y proliferan lo que induce un alargamiento y curveado de los pelos radicales y posterior formación de una estructura tubular llamada cordón de infección (Long, 1989). Este se desarrolla en el interior del punto de adhesión a la bacteria y forma un canal en en interior del pelo. Rhizobium es conducido a través del cordón hasta la base del pelo (Burity et al., 1989). El cordón de infección atraviesa la pared de la célula cortical adyacente, ahí al perder la pared celular, se establece Rhizobium; después se engloba por la membrana plasmática del hospedero, lo que resulta en la formación del nódulo. Las bacterias y las células de la corteza radical se diferencian y comienza la fijación simbiótica del N2 y el intercambio metabólico fijado el N2, se transporta rápidamente del nódulo al resto de la planta. La reducción de N2 molecular a amonio, se lleva a cabo por la nitrogenas, que requiere ATP y de la leghemoglobina, una proteína globular cuya función es atrapar el oxígeno para facilitar el trabajo de la nitrogenasa, además de transferir 02 y estimular la oxidación de la reserva del carbono, cubrir el alto gasto de energía que Rhizobium requiere para incorporar el N2. La leghemoglobina es codificada por un gen de la leguminosa, esta proteína se localiza en el nódulo fuera de la bacteria y es distinta para cada tipo de Rhizobium como se ilustra en la figura 1.

Inoculación

A pesar de que Rhizobium es un habitante común en los suelos agrícolas, frecuentemente su población es insuficiente para alcanzar una relación benéfica con la leguminosa, o bien cuando los rhizobios nativos no fijan cantidades suficientes de N2 para las leguminosas es necesario inocular la semilla a la siembra y asegurar la fijación biológica del N2.

La utilización de un Rhizobium infectivo (capacidad de nodular) y efectivo (eficiencia para la fijación del N2) en la leguminosa, implica determinar la necesidad de inoculación. Para ello se corrobora la existencia del tipo de Rhizobium nativo en el suelo, su eficiencia para fijar N2, la concentración de N del suelo y si la leguminosa elegida se siembra con frecuencia en la región para mantener su rendimiento. Lo ideal es seleccionar un Rhizobium altamente infectivo y efectivo para lograr una disminución máxima del fertilizante nitrogenado sin decremento en el rendimiento de la leguminosa. Un ejemplo de lo anterior se muestra en el cuadro 3 en la que se presentan en general las diversas especies de Rhizobium en relación con algunos tipos de leguminosas viables de inocular.

En general, la inoculación se puede recomendar para una zona agrícola que se sembrará con una nueva especie de leguminosa. Para controlar la calidad de un inoculante de una leguminosa específica, es necesario mantener un número de Rhizobium de aproximadamente 106 bacterias/g de inoculante (FAO, 1995) y determinar si es específico para la leguminosa a prueba. Así, un producto microbiano o inoculante, debe por lo menos mantener la productividad de un cultivo agrícola con menos dosis de fertilizante nitrogenado y con ello un ahorro en el costo de producción, minimizar la contaminación de aguas superficiales y mantos acuíferos y por supuesto la conservación del suelo, en un esquema de producción sustentable.

Existen varios tipos de inoculantes, pero el más común es un soporte a base de turba impregnada con un cultivo bacteriano. A pesar de que desde 1880 los inoculantes han sido comercializados, como un producto biológico requiere de un riguroso control de calidad de tipo microbiológico que garantice el éxito esperado con la leguminosa seleccionada. Ya que

Un manejo inadecuado en su producción y manejo trae en consecuencia una baja efectividad al aplicarse en la leguminosa, debido a (Sánchez-Yáñez, 1997):

1. Deficiente preparación a nivel de laboratorio, manejo, almacenamiento a nivel de comercialización y aplicación del inoculante por parte de los fabricantes, comerciantes y agricultores.
2. Incompatibilidad del tipo de Rhizobium comercial y la leguminosa seleccionada.

   Actividad del Rhizobium nativo del suelo contra el introducido, en general por que los rhizobios autóctonos son infectivos, pero no son eficientes en la fijación de N2. Por lo cual para mejorar el rendimiento de soya y otras leguminosas, ha sido necesario seleccionar un nativo altamente infectivo y efectivo y ademas agregar pequeñas cantidades de fertilizante nitrogenado, aproximadamente 20 kg N/Ha, lo cual estimula la nodulación, para alcanzar hasta un 70-75% de nitrógeno fijado proveniente de la atmósfera (Thies et al., 1992); este fenómeno depende de la interacción entre los genotipos del hospedero y el tipo de Rhizobium, mientras que con altas concentraciones de fertilizante nitrogenado, se inhiben la fijación simbiótica del nitrógeno como se muestra en el Cuadro 2 en el ecual es evidente que la eficiencia para fijar N2 es dependiente del tipo de Rhizobium y la leguminosa hospedera (Tamez y Peña-Cabriales, 1989).

3. Condiciones adversas para la infección y la actividad bacteriana, como concentraciones elevadas de N, metales pesados y antagonismo microbiano nativo del suelo no de se pretende aplicar.

Tomado de ( Tamez y Peña-Cabriales, 1989).

IV. Conclusión

La capacidad fijadora de N2 de Rhizobium en asociación con las leguminosas es importante en los sistemas agrícolas de producción y especialmente en la rotación de cultivos, por lo cual es conveniente favorecer su aplicación generalizada, ya que la inoculación es una opción natural, que no contamina el ambiente y favorece la conservación del suelo. Por tanto el manejo adecuado de la tecnología de inoculantes a base de Rhizobium puede, por lo menos asegurar el rendimiento de las leguminosas de manera ecológica.

V. Bibliografía

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Cuadro 1. Número de especies de leguminosas noduladas

Ref. (Alexander, 1980; Burity et al., 1989).

Cuadro. 2. Valores promedio de Nitrógeno fijado biológicamente por leguminosas en el mundo.

Los valores estimados representan el promedio de experimento llevados a cabo en el mundo. Ref. (Alexander, 1980)

Cuadro 3. Taxonomía y diversidad de bacterias simbióticas fijadoras de N2 relacionado con leguminosas.

*Esta es la rama más distantemente relacionada en Rhizobium y tal vez constituya un nuevo género en el futuro. ** Estos son nuevos Sinorhizobium.

Figura 1. Dinámica de formación de un nódulo en la raíz en una leguminosa causado por Rhizobium.

1. Rhizobium libre.
2. Rhizobium atraído por el pelo radical.
3. Inicio de la infección por Rhizobium en el pelo radical.
4. Cayado del pastor (pelo radicales, infectados por Rhizobium)

5 y 6. El cordón de infección de Rhizobium invade la matriz de células corticales de la

leguminosa en la raíz.

7. Rhizobium se reproduce en células haploides de la raíz y pierde su pared celular se

sobreproduce auxina.

8. Resultado se da la hipertrofia radical y aparece el nódulo.

9. Rhizobium sin pared (Bacteroide) en las células corticales fija nitrógeno.

10. El nódulo con leghemoglobina fija N2.

Dr. Juan Manuel Sánchez-Yáñez

Profesor Investigador Titular "C" T/C Perfil PROMEP

Laboratorio de Microbiología Ambiental. Edif. B-3

Instituto de Investigaciones Químico Biológicas

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

Ciudad Universitaria, Morelia, Michoacán, México.