Rizobios

Los rizobios son bacterias diazotróficas que fijan nitrógeno tras 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. En general, son bacilos gram negativos, móviles, no esporulantes.

Los rizobios son un "grupo de bacterias del suelo que infectan las raíces de las leguminosas para formar nódulos en las raíces". Los rizobios se encuentran en el suelo y, después de la infección, producen nódulos en la leguminosa donde fijan gas nitrógeno (N₂) 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 de regreso al suelo donde pueden vivir individualmente o reinfectar una nueva leguminosa huésped.

Historia

La primera especie conocida de rizobios, Rhizobium leguminosarum, se identificó en 1889, y todas las demás especies se ubicaron inicialmente en el género Rhizobium. La mayor parte de la investigación se ha realizado en cultivos y leguminosas forrajeras como el trébol, la alfalfa, los frijoles, los guisantes y la soja; se están realizando más investigaciones sobre las leguminosas de América del Norte.

Taxonomía

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 pertenecen al orden Hyphomicrobiales, pero varios rizobios se encuentran en distintos órdenes bacterianos de Pseudomonadota.

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.

Importancia en la agricultura

Aunque gran parte del nitrógeno se elimina cuando se cosecha el heno o el grano rico en proteínas, pueden quedar cantidades significativas en el suelo para futuras cosechas. Esto es especialmente importante cuando no se utilizan fertilizantes nitrogenados, como en los esquemas de rotación orgánica o en algunos países menos industrializados. 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 tiene graves preocupaciones ambientales.

Se requieren cepas específicas de rizobios para hacer nódulos funcionales en las raíces capaces de fijar el N₂. Tener presente este rizobio específico es beneficioso para la leguminosa, ya que la fijación de N₂ puede aumentar el rendimiento del cultivo. La inoculación con rizobios tiende a aumentar el rendimiento.

La inoculación de leguminosas ha sido una práctica agrícola durante muchos años y ha mejorado continuamente con el tiempo. Anualmente se inoculan entre 12 y 20 millones de hectáreas de soja. La tecnología para producir estos inoculantes son los fermentadores microbianos. 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.

Estos inoculantes pueden fomentar el éxito en el cultivo de leguminosas. Como resultado del proceso de nodulación, después de la cosecha del cultivo hay niveles más altos de nitrato en el suelo, que luego pueden ser utilizados por el próximo cultivo.

Relación simbiótica

Los rizobios son únicos en el sentido de que son las únicas bacterias fijadoras de nitrógeno que viven en una relación simbiótica con las leguminosas. Las leguminosas de cultivo y forrajeras comunes son los guisantes, los frijoles, el trébol y la soja.

Naturaleza del mutualismo

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 como los ácidos dicarboxílicos malato y succinato) como fuente de carbono y energía. Sin embargo, debido a que varias cepas no relacionadas infectan cada planta individual, se presenta un escenario clásico de tragedia de los comunes. Las cepas tramposas pueden acumular recursos vegetales como el polihidroxibutirato en beneficio de su propia reproducción sin fijar una cantidad apreciable de nitrógeno. Dados los costos involucrados en la nodulación y la oportunidad de que los rizobios hagan trampa, puede ser sorprendente que esta simbiosis exista.

Infección e intercambio de señales

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 conocido para el establecimiento de esta simbiosis es a través de 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, se adhieren a los pelos de la raíz.. 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 hayan ingresado al cabello de la raíz. Los factores de nod desencadenan una serie de cambios de desarrollo complejos 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 hacia las células de la raíz. Luego, la bacteria infecta varias otras células de la raíz adyacentes. A esto le sigue una proliferación celular continua que da como resultado la formación del nódulo de la raíz. Un segundo mecanismo, utilizado especialmente por los rizobios que infectan a los huéspedes acuáticos, se denomina entrada por grietas. En este caso, no se observa deformación del pelo radicular. En cambio, las bacterias penetran entre las células, a través de grietas producidas por la emergencia de raíces laterales.

Dentro del nódulo, las bacterias se diferencian morfológicamente en bacteroides y fijan el nitrógeno atmosférico en amonio, utilizando la enzima nitrogenasa. Luego, el amonio se convierte en aminoácidos como la glutamina y la asparagina antes de exportarlo a la planta. A cambio, la planta suministra a las bacterias carbohidratos en forma de ácidos orgánicos. La planta también proporciona el oxígeno bacteroide para la respiración celular, fuertemente ligado a las 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.

Recientemente, se descubrió que una cepa de Bradyrhizobium forma nódulos en Aeschynomene sin producir factores de nod, lo que sugiere la existencia de señales de comunicación alternativas además de los factores de nod, posiblemente relacionadas con la secreción de la hormona vegetal citoquinina.

Se ha observado que los nódulos radiculares pueden formarse espontáneamente en Medicago sin la presencia de rizobios. Esto implica que el desarrollo del nódulo está controlado completamente por la planta y simplemente desencadenado por la secreción de factores nod.

Hipótesis evolutivas

La hipótesis de las sanciones

Hay dos hipótesis principales para 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 de 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. Estas sanciones incluyen, entre otras, la reducción del crecimiento de nódulos, la muerte temprana de 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. Por lo tanto, con el desarrollo de una relación simbiótica, si la hipótesis de las sanciones del huésped es correcta, las sanciones del huésped deben actuar hacia nódulos completos en lugar de bacterias individuales porque las sanciones dirigidas a individuos evitarían que los rizobios en reproducción proliferaran con el tiempo. Esta capacidad de reforzar una relación mutua con las sanciones del anfitrión empuja la relación hacia un mutualismo en lugar de un parasitismo y es probablemente un factor que contribuye a la existencia de la simbiosis.

Sin embargo, otros estudios no han encontrado evidencia de sanciones a las plantas.

La hipótesis de la elección de pareja

La hipótesis de elección de pareja propone que la planta usa señales de prenodulación de los rizobios para decidir si permite la nodulación y elige solo rizobios no tramposos. Hay evidencia de sanciones en plantas de soja, que reducen la reproducción de rizobios (quizás al limitar el suministro de oxígeno) en nódulos que fijan menos nitrógeno. Asimismo, las plantas silvestres de lupino asignan menos recursos a los nódulos que contienen rizobios menos beneficiosos, lo que limita la reproducción de los rizobios en su interior. Esto es coherente con la definición de sanciones, aunque se denomina "elección de pareja" por los autores. Algunos estudios apoyan la hipótesis de elección de pareja. Si bien ambos mecanismos sin duda contribuyen significativamente a mantener la cooperación de 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 del anfitrión, ya que es evidente que ambas prevalecen en la relación simbiótica.

Historia evolutiva

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. 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, el manejo de tal simbiosis permite la continuación de la cooperación. 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 rizobio-leguminosa con una relación simbiótica más antigua, como la que existe entre los hongos endomicorrizas y las plantas terrestres, que data de hace casi 460 millones de años.

La simbiosis endomicorrícica puede proporcionar muchos conocimientos sobre la simbiosis de los rizobios porque estudios genéticos recientes han sugerido que los rizobios cooptaron las vías de señalización de la simbiosis endomicorrícica más antigua. 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.

Es probable que los rizobios se apropiaran de las características ya establecidas para la simbiosis endomicorrícica, 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 Nod rizobianos como de los Myc-LCO endomicorrícicos. Los procesos similares compartidos habrían facilitado en gran medida la evolución de la simbiosis rizobiana, porque no todos los mecanismos simbióticos habrían necesitado desarrollarse. En cambio, los rizobios simplemente necesitaban desarrollar mecanismos para aprovechar los procesos de señalización simbiótica que ya existían a partir de la simbiosis endomicorrícica.

Otros diazótrofos

Muchas otras especies de bacterias pueden fijar nitrógeno (diazotrofas), pero pocas pueden asociarse íntimamente con las plantas y colonizar estructuras específicas como los nódulos de leguminosas. Las bacterias que sí se asocian con las plantas incluyen el actinomiceto, Frankia, que forma nódulos radiculares simbióticos en las plantas actinorizales, aunque estas bacterias tienen un rango de huéspedes mucho más amplio, lo que implica que la asociación es menos específica que en las leguminosas. Además, varias cianobacterias como Nostoc están asociadas a helechos acuáticos, Cycas y Gunneras, aunque no forman nódulos.

Además, se ha informado que las bacterias de las plantas asociadas libremente, denominadas endófitos, fijan nitrógeno en la planta. Estas bacterias colonizan los espacios intercelulares de las hojas, tallos y raíces de las plantas, pero no forman estructuras especializadas como los rizobios y Frankia. Los endófitos bacterianos diazotróficos tienen rangos de huéspedes muy amplios, en algunos casos colonizando tanto monocotiledóneas como dicotiledóneas.