Los fijadores de nitrógeno del suelo

1. Introducción
2. Definiciones básicas
2.1. Biofertilizante
2.2. Biofomentadores
2.3. Biopesticida
2.4. Rizobacterias
2.4.1. Mecanismos de acción
2.4.2. Factores que afectan a los PGPR
3. Fijación biológica de nitrógeno
3.1. Clasificación de microorganismos fijadores de nitrógeno
4. La aplicación de los fijadores de nitrógeno en la agricultura
5. Bibliografía

1. Introducción a los fijadores de nitrógeno de suelo

El uso indiscriminado de abonos nitrogenados en los campos cercanos a las lagunas ríos y mares provoca que su acumulación, en muchos casos, produzca un crecimiento excesivo de algas que captan el oxígeno y producen una anoxia que ahoga a los peces y crustáceos provocando una elevada mortandad de toda la fauna marina. Debido a este uso excesivo de los abonos nitrogenados, se debe promover la utilización de biofertilizantes a base de microorganismos existentes en los suelos de forma natural lo cual se presenta como una opción asequible e imprescindible para asegurar el futuro de nuestros campos. Sin embargo, el uso de estas soluciones requiere de un mayor conocimiento por parte de los técnicos y agricultores, pero que, a la larga, favorecerá al sector porque permitirá la obtención de cosechas rentables, sostenibles y más respetuosas con el medio ambiente

2. Definiciones básicas

2.1. BIOFERTILIZANTE:

Es una sustancia que contiene microorganismos vivos, que pueden ser algas y bacterias existentes en los suelos de manera natural, los cuales, cuando se aplican a semillas, superficies de plantas o suelos, colonizan la rizosfera o el interior de la planta y promueven su crecimiento al incrementar la disponibilidad de los nutrientes a la planta huésped (Vessey, 2003).

2.2. BIOFOMENTADORES:

Las bacterias pueden fomentar el crecimiento de la planta al producir fitohormonas.

2.3. BIOPESTICIDA:

Las bacterias que promueven el crecimiento de las plantas por medio del control de organismos perjudiciales.

2.4. RIZOBACTERIAS:

Bacterias que colonizan la raíz y su zona de influencia (Kloepper, 1994).

Las Rizobacterias beneficiosas, conocidas comúnmente con el acrónimo de PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria), desempeñan funciones claves para la planta tales como:

1. Protección de la planta frente a estreses bióticos y abióticos.
2. Incremento en la absorción y disponibilidad de los nutrientes.
3. Estimulación de la germinación de las semillas y del enraizamiento.
4. Mejora de la estructura del suelo.

Las PGPR deben cumplir tres características:

1. Capaces de colonizar la raíz y/o su zona de influencia.
2. Capaces de sobrevivir y multiplicarse en los micros-hábitats asociados a la superficie de la raíz donde compiten con la microbiota natural.
3. Capaces de estimular el crecimiento vegetal (Kloepper, 1994).

2.4.1. Mecanismos de acción

Los mecanismos de acción de los PGPR se pueden clasificar en Directos e Indirectos.

MECANISMOS DIRECTOS:

Suministro de determinados compuestos a la planta o facilitando la captación de nutrientes solubles del suelo.

1. Producción de reguladores de crecimiento vegetal como auxinas, giberelinas y citoquininas.
2. Fijación de nitrógeno.
3. Solubilización de fosfatos.
4. Inhibición de síntesis de etileno.
5. Aumento en la permeabilidad de la raíz.

MECANISMOS INDIRECTOS:

1. Producción de sustancias capaces de movilizar nutrientes de tipo aminoácidos, sideróforos o ácidos orgánicos que liberan fósforo, hierro y/o aluminio.
2. Influencia en la producción de fitoalexinas (compuestos utilizados por la planta como defensa) como respuesta inducida por lipolisacáridos producidos por bacterias entorno a la raíz.
3. Producción de antibióticos y cianuros de hidrógeno que generan un decrecimiento en la población de fitopatógenos.
4. Hidrólisis de moléculas producidas por patógenos como ácido fusárico para liberar 1-3-glucanasa inhibiendo el desarrollo de la pared fúngica de hongos como Phytium ultimun y Rhizoctonia solani.

2.4.2. Factores que afectan a los PGPR

Los organismos benéficos, introducidos en la rizosfera, son afectados por distintos factores.

FACTORES BIÓTICOS:

1. Predación por nematodos y protozoos.
2. Actividad de bacteriófagos.
3. ompetencia microbiana por recursos.
4. Interacciones directas: producción antibióticos, sinergismo o incremento de nutrientes disponibles.

FACTORES ABIÓTICOS:

1. Temperatura del suelo.
2. pH del suelo.
3. Disponibilidad de Oxígeno.
4. Disponibilidad de nutrientes.
5. Contenido de agua.
6. Tipo de suelo.
7. Textura y estructura de suelo.

3. Fijación biológica de nitrógeno

El nitrógeno es el elemento más abundante de la atmósfera terrestre, pero es una fuente nutritiva muy escasa debido a que es un elemento inerte y no puede ser aprovechado por la mayoría de seres vivos. Este elemento únicamente se incorpora a los ecosistemas cuando ha sido fijado o combinado con el hidrógeno o el oxígeno en forma de nitrato o de amonio.

Dentro de la fijación de nitrógeno global de los ecosistemas, alrededor del 97%, unos 175 millones de toneladas, procede de la fijación biológica ya sea por organismos de vida libre o por organismos simbiontes con hongos para formar líquenes, o formando asociaciones simbióticas facultativas con plantas superiores denominadas briofitas, siendo la fijación simbiótica de nitrógeno mayor que la fijación de vida libre (Reed et al., 2011).

El nitrógeno es un nutriente limitante para el desarrollo de las plantas que las bacterias fijadoras de nitrógeno son capaces de fijar mediante la enzima nitrogenasa. Esta enzima es capaz de romper el triple enlace del nitrógeno molecular y transformarlo a amonio (NH4) (Silvia, 1999). La reacción que se produce es la siguiente:

N₂ + 8H⁺ + 16ATP >>>>> 2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16Pi

El ATP necesario para que se produzca la reacción se obtiene mediante el proceso de fosforilación oxidativa acoplado a la cadena de trasporte de electrones que utiliza el oxígeno como aceptor final.

3.1. Clasificación de microorganismos fijadores de nitrógeno

Los microorganismos fijadores de nitrógeno se pueden clasificar en diferentes grupos.

1. Bacterias fijadoras de vida libre
   Los microorganismos fijadores de nitrógeno de vida libre incluyen microorganismos anaerobios estrictos y facultativos y aerobios, que pueden tomar la energía de sustancias químicas (quimiótrofos) o de la luz (fotótrofos).
   
   
2. Bacterias anaerobias
   -Quimiótrofas: Clostridium, Methanosarcina
   -Fotótrofas: Chromatium, Thiopedia
   
   
3. Bacterias anaerobias facultativas
   -Quimiótrofas: Bacillus, Erwinia
   -Fotótrofas: Rhodospirillum, Rhodopseudomonas
   
   
4. Bacterias aerobias o microaerófilas
   -Quimiótrofas: Azospirillum, Azotobacter, Thiobacillus, Agrobacterium
   -Fotótrofas: Anabaena, Nostoc, Calotrix
   
   
5. Bacterias que forman asociaciones fijadoras.
   
   Existen tres formas de asociaciones fijadores:
   -Rizocenosis: Azospirillum, Azotobacter y Bacillus con gramíneas.
   -Simbiosis asociativas: Nostoc con raíces de musgos y hepáticas, Anabaena y Calotrix.
   -Rizoendosimbiosis: Rhizobium con leguminosas; Frankia con angiospermas no leguminosas.
   
   

La asociación que proporciona la mayor cantidad de nitrógeno en los ecosistemas terrestres es la de Rhizobium con leguminosas. En esta asociación, el rizobio infecta los pelos radiculares de la leguminosa que exuda flavonoides e isoflavonoides e induce la formación de los nódulos por parte del rizobio, donde se fija el nitrógeno mediante la acción de la enzima nitrogenasa (Fernández-Pascual, 1984). El poder reductor y los electrones para la reducción de N2 a NH3 procede de moléculas fotosintéticas llamadas fotosintatos, que son uno de los principales factores limitantes junto con el oxígeno para la obtención de energía por parte de la enzima nitrogenasa para la fijación del nitrógeno.

Fig.1. Nódulos provocados por la bacteria simbionte "Rhizobium" en Leguminosas

[ampliar imagen]

Entre los factores limitantes más importantes sobre la fijación biológica de nitrógeno se encuentran: la salinidad, el pH, el exceso o deficiencia de P, Ca, Mo, Al y agua, temperatura, humedad, presencia de nitrógeno combinado, el oxígeno, los fotoasimilados y la presencia de microbiota.

4. La aplicación de los fijadores de nitrógeno en la agricultura

Algunos ejemplos de microorganismos fijadores de nitrógeno, empleados como alternativa a los productos de síntesis nitrogenada, se recogen en la tabla siguiente:

Rizobacterias beneficiosas PGPR / Cultivo

---

PGPR: Rhizobium MRP1

Cultivo: Guisante (Pisum sativum L.)

Efecto:

-Aumento del crecimiento de la planta
-De N y P en órganos de la planta
-Del rendimiento de semillas
-De proteínas en semillas

Referencia: Ahemad y Khan, 2011

---

PGPR: Rhizobium phaseoli

Cultivo: Soja verde (Vigna radiata L.)

Efecto:

-Aumento altura plantas
-Del número de nódulos por planta
-De la biomasa vegetal
-Del rendimiento del grano
-De N en el grano

Referencia: Zahir et al., 2010

---

PGPR: Azotobacter chroococcum; Azospirillum lipoferum

Cultivo: Algodón (Gossypium hirsutum L.)

Efecto:

-Aumento del rendimiento de semillas
-De la altura de las plantas

Referencia: Anjum et al., 2007

---

PGPR: Azotobacter chroococcum

Cultivo: Cebolla (Allium cepa L.)

Efecto: Aumento del crecimiento de las plantas

Referencia: Dibut et al., 2000 / Pulido et al., 2002

---

PGPR: Azotobacter chroococcum

Cultivo: Tomate (Solanum Lycopersicum L.)

Efecto: Aumento del crecimiento de las plantas

Referencia: Martínez et al., 2002

---

PGPR: Azotobacter brasilense

Cultivo: Tomate (Lycopersicon esculentum, Mill)

Efecto:

-Aumento crecimiento de las plantas entre un 10-30%
-Del peso fresco y seco de las plántulas
-De la elongación de raíces
-Aumento contenido de N foliar
-Mayor capacidad para absorber eficientemente el agua y nutrientes del suelo

Referencia: Bashan, 1989

---

PGPR: Azospirillum lipoferum

Cultivo: Maíz (Zea mays L.)

Efecto:

-Aumento altura de la planta
-Peso de semillas
-Del número de semillas por mazorca
-Del área de la hoja
-Del peso seco de los brotes

Referencia: Gholamis et al., 2009

---

PGPR: Azospirillum brasilense

Cultivo: Frijol común (Phaseolus vulgaris L.)

Efecto: Aumento del crecimiento de las raíces

Referencia: Remans et al., 2008

---

PGPR: Azospirillum amazonense

Cultivo: Arroz (Oryza sativa L.)

Efecto:

-Mayor acumulación de materia seca del grano
-Mayor acumulación de N en la maduración del grano (3.5-18.5%)

Referencia: Rodrigues et al., 2008

---

PGPR: Azospirillum sp.

Cultivo: Tomate (Lycopersicum esculentum L.)

Efecto:

-Aumento del crecimiento de las plantas
-Del rendimiento de la planta, entorno a un 11%

Referencia: Elein et al., 2005

---

PGPR: Bacilo PSB10

Cultivo: Garbanzo (Cicer arietinum L.)

Efecto:

-Aumento del: crecimiento de las plantas
-Del rendimiento de las semillas
-Del contenido de proteínas en las semillas

Referencia: Wani y Khan, 2010

---

PGPR: Bacillus cereus

Cultivo: Mostaza parda (Brassica juncea)

Efecto:

-Aumento de la biomasa de las plantas
-Mejora de la acumulación de N en los tejidos de la planta

Referencia: Ma et al., 2009

---

PGPR: Methylobacterium oryzae

Cultivo: Tomate (Lycopersicon esculentum L.)

Efecto: Aumento del crecimiento de las plantas

Referencia: Madhaiyan et al., 2007

---

PGPR: Azomonas sp.

Cultivo: Nabo (Brassica napus)

Efecto: Estimula el crecimiento de las plantas

Referencia: Sheng y Xia, 2006

---

5. Bibliografía recomendada

• Ahemad, M. y Khan, M.S., 2011. Respuesta de greengram [ Vigna radiata (L.) Wilczek] cultivado en suelo modificado con herbicida al crecimiento de plantas tolerantes a quizalafop-p-etilo y clodinafop que promueven Bradyrhizobium sp. ( vigna ) MRM6. J. Agric. Sci. Technol., 13:1209 – 1222.
• Anjum,M.A., MR Sajjad,N. Akhtar , MA Qureshi , A. Iqbal , JA Rehman , Mahmud-ul Hasan, 2007. Respuesta del algodón a la inoculación de rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR) en diferentes niveles de nitrógeno. J. Agric. Res., 45:135 – 143.
• Bashan, Y., 1989. Nonespecific responses en plant Growth, yield and root colonization of noncereal crops plants to inoculation with Azospirillum brasilense cd. Canadian. Journal of Botany, 67(5):1317-1324.
• Dibut, B., 2000. Obtención de un bioestimulador del crecimiento y el rendimiento para el beneficio de la cebolla (Allium cepa L.). Tesis de Doctorado. INIFAT. La Habana, Cuba, 100.
• Elein, T.A., Leyva, A. y Hernández, A., 2005. Microorganismos benéficos como biofertilizantes eficientes de para el cultivo del tomate (Lycopersicon esculentum, Mill). Rev. Colomb. Biotecnol, 7(2):47-54.
• Fernández-Pascual, M., 1984. Estudio de determinados factores responsables de la especificidad Rhizobium-leguminosa. Tesis Doctoral. Universidad Complutense de Madrid.
• Gholami, A., Shahsavani, S. y Nezarat, S., 2009. El efecto de las rizobacterias promotoras del crecimiento de las plantas (PGPR) sobre la germinación, el crecimiento de las plántulas y el rendimiento del maíz. En t. J. Biol. Life Sci., 1: 35–40.
• Kloepper, J.W., 1994. Rizobacterias promotoras del crecimiento de las plantas (otros sistemas) Y. Okon (Ed.), Azospirillum Asociaciones / planta, CRC Press , Boca Raton, FL, EE.UU. ( 1994 ) , pp. 111 – 118.
• Ma, Y., Rajkumar, M. y Freitas, H., 2009. Aislamiento y caracterización de Ni que moviliza PGPB de suelos serpentinos y su potencial para promover el crecimiento de las plantas y la acumulación de Ni por Brassica spp. Chemosphere, 75:719 – 725.
• Madhaiyan, M., Poonguzhali, S. y Sa, T., 2007. Las bacterias metilotróficas que toleran metales reducen la toxicidad del níquel y el cadmio y promueven el crecimiento de las plantas de tomate (Lycopersicon esculentum L.). Chemosphere, 69:220 – 228.
• Martínez, V.R., 2002. Biofertilizantes y producción agrícola sostenible. Retos y perspectivas. XII Congreso Científico del INCA.
• Pulido, L., 2002. Manejo integrado de biofertilizantes de alta calidad en los cultivos de tomate (Lycopersicon esculentym, Mill) y cebolla (Allium cepa L.) sobre suelos ferralíticos rojos ce Ciego de Ávila. Tesis Doctoral, La Habana, 97.
• Reed, S.C., Cleveland, C.C. y Townsed, A.R., 2011. A functional ecology of free-living nitrogen fixation: contemporar y perspective. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 42: 489-512.
• Remans, R., Beebe, S., Blair, M., Manriquez, G., Tovar, E., Rao, I., Croonenborghs, A., Torres-Gutierrez, R., El-Howeity, M., J. Michiels, J. y Vanderleyden, J., 2008. Análisis fisiológico y genético de la respuesta de las raíces a bacterias promotoras del crecimiento de plantas productoras de auxinas en frijol común (Phaseolus vulgaris L.) Soil Plant, 302:149 – 161.
• Rodrigues,E.P., Rodrigues,L.S., DeOliveira, A.L.M. , Baldani, V.L.D., Teixeira,K.R.S., Urquiaga, S., S., Reis, V.M., 2008. Inoculación de Azospirillum amazonense : efectos sobre el crecimiento, rendimiento y fijación de N 2 del arroz ( Oryza sativa L.). Plant Soil, 302: 249 – 261.
• Sheng, X.F. y Xia, J.J., 2006. Mejora del crecimiento de las plantas de colza (Brassica napus) y de la absorción de cadmio por bacterias resistentes al cadmio. Chemosphere, 64:1036 – 1042.
• Sylvia, M., 1999. Principles and applications of soil microbiology. Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, USA.
• Vessey, J.K., 2003. Plant growth promoting rhizobacteria as biofertilizers. Plant Soil, 255: 571-586.
• Wani, P.A. y Khan, M.S., 2010. Las especies de Bacillus mejoran los parámetros de crecimiento del garbanzo (Cicer arietinum L.) en suelos estresados ​​por cromo Food Chem. Toxicol., 48:3262 – 3267.
• Zahir, Z.A. , Shah, M.K., Naveed, M. y Akhter, M.J., 2010. La producción de auxinas dependiente del sustrato por Rhizobium phaseoli mejora el crecimiento y el rendimiento de Vigna radiata L. en condiciones de estrés salino. J. Microbiol. Biotechnol., 20(1): 288 – 1294.

Autor: Dpto. Agronomía Infoagro