Nutrición mineral y metabolismo del nitrógeno · Nutrición mineral y metabolismo del nitrógeno Introducción a la Botánica sin inocular con bacteria fijadora inoculada con bacteria

Nutrición mineral y metabolismo del

nitrógeno

Introducción a la Botánica

sin inocular con bacteria fijadora

inoculada con bacteria fijadora

Nutrientes esenciales para las plantas

Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA

Los requerimientos nutritivos de las plantas son muy simples: • Agua • Dióxido de Carbono • Minerales disueltos (iones inorgánicos) • Luz solar De ellos obtienen todos los elementos que necesitan para su supervivencia, crecimiento y reproducción Pueden sintetizar todos los compuestos orgánicos que necesitan (incluso aminoácidos y vitaminas) ¿de dónde vienen esos nutrientes, cómo ingresan a la planta, cómo se transportan?

Minerales esenciales para las plantas

¿Qué significa que un mineral sea esencial? La deficiencia de un mineral o elemento esencial causa síntomas característicos

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Puede ser que el elemento esté en el suelo en abundancia pero no pueda ser absorbido por otras causas (pH, aireación, falta de agua, antagonistas, etc. )



Para cada mineral esencial existe un óptimo de concentración

en un tejido, o en el suelo, o en el sustrato usado para el crecimiento



¿Cómo se estudia? cultivos en condiciones controladas

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Rizotrones: para la observación directa de toda la planta, incluida la raíz

Hidroponia: nutrientes estrictamente controlados



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Los minerales en el suelo se encuentran • disueltos en la fase acuosa (menos del 2%) • fijados a partículas sólidas (minerales, humus) 98%

la mayoría de los minerales solo se liberan lentamente a medida que van siendo disueltos

Las plantas “controlan” la disponibilidad de minerales modificando las características del suelo • cambiando el pH • favoreciendo la interacción con microorganismos beneficiosos

presentes en el suelo

Absorción de minerales por la raíz Los pelos radicales absorben minerales disueltos en el agua del suelo La absorción de cationes por la raíz está asociada a la acidificación del suelo y al movimiento de protones a través de la membrana plasmática del pelo absorbente

Intercambio de cationes entre la raíz y la superficie de las partículas del suelo pH ácido lo favorece


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Rutas de transporte: apoplástica vs. simplástica

CT de raíz

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Ruta apoplástica: a través del continuo de paredes celulares Ruta simplástica: a través del continuo de citoplasmas conectados por plasmodesmos La ruta apoplástica se frena en la endodermis

¿Cómo llegan al xilema los minerales disueltos? Jo

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La ruta apoplástica se frena en la endodermis Los iones (cationes, nitrato, fosfato) entran al simplasto por medio de transportadores específicos en la membrana plasmática, con gasto de energía ¿Cómo se vuelcan en el xilema? evidencia de que las células del parénquima xilemático liberan activamente K+, Na+ y Mg2+ en los elementos conductores del xilema

Entrada de nitrato a las células vegetales

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El transporte de nitrato a través de la membrana plasmática está acoplado a una bomba de protones requiere energía

http://www.sciencedirect.com/science/book/9780123849052




El nitrógeno


El nitrógeno forma parte de moléculas esenciales para la estructura y la función de las plantas ácidos nucleicos proteínas

algunos componentes de la pared celular

moléculas de señalización

remolacha azucarera

Las formas del nitrógeno más relevantes para las plantas


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El nitrógeno


Formas del N absorbidas por las plantas: Nitrato: NO3

- Amonio: NH4

+

Asimilación: Incorporación de N inorgánico a compuestos orgánicos por la planta

Fijación: Transformación del N2 atmosférico en una forma de N asimilable por la planta o microorganismo

formas inorgánicas

El ciclo biogeoquímico del nitrógeno


La principal fuente de nitrógeno es la atmósfera 80% del aire está formado por N2

El N2 es un gas muy poco reactivo requiere mucha energía para poder ser usado en reacciones biológicas

La mayoría de los organismos no pueden utilizar N2 como fuente de nitrógeno

NH4 + (amonio) y NO3

- (nitrato) son formas más reactivas de N pero son menos abundantes

Aunque hay abundante N2 en la atmósfera, el N en general es un nutriente limitante para el crecimiento de las plantas

Las distintas formas de nitrógeno son recirculadas a través de la biósfera

ciclo biogeoquímico del N


Filtrado

N2 en la atmósfera

Fijación por relámpagos e industria

Fijación por bacterias libres

Fijación por bacterias

simbiontes

NH4+ en

el suelo

Pérdida por incorporación

a los sedimentos

Escape por

filtrado

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Materia orgánica

S! aminoácidos

Nitrificación bacteriana

tejidos vegetales

Desnitrificación bacteriana

NO3-

nitrato

NH4+ en plantas

3 tipos de fijación

Asimilación vegetal

tejidos animales

descomposición por microorg.

amonificación por bacterias




Amonificación o mineralización: Nitrógeno orgánico (unido a C) el C es

usado como fuente de energía por microorganismos (bacterias y hongos) del suelo se libera NH4

+ (amonio) al suelo

Amonificación N orgánico en restos de plantas, animales, excreciones

NH4+

Nitrificación: El NH4 + es usado como dador de electrones por microorganismos

quimio-autótrofos del suelo

Paso 1: Nitrosomonas sp. oxidan NH4 + a NO2

- (nitrito) con consumo de O2

2NH4 + + 3O2

2NO2

- + 4H+ + 2H2O el nitrito es TÓXICO

Paso 2: Nitrobacter sp. oxidan NO2 - a NO3

- (nitrato) con consumo de O2

2NO2 - + O2

2NO3

-

Nitrificación NO3- NH4

+



Desnitrificación: Pérdida de nitrato por reducción a formas volátiles (gaseosas)

el NO3- es usado como aceptor de electrones para la respiración por bacterias

cuando/donde no hay O2. Se genera N2 y N2O (óxido nitroso)

Bacterias de los géneros Pseudomonas y Clostridium

Desnitrificación NO3- N2O y N2

El N del suelo se pierde por desnitrificación ¿Cómo se recupera?

Las bacterias del suelo y el N disponible


Nabors 2006 Introducción a la Botánica

Fijación de N2

Fijación simbiótica de N


La simbiosis permite un crecimiento mayor sin el agregado de fertilizantes en el suelo

sin inocular con bacteria fijadora

inoculada con bacteria fijadora

Fijación de N: utilización del N2 de la atmósfera


La fijación de N2 la llevan a cabo solamente algunos organismos procariontes todos los demás dependemos de ellos

Fijadores de vida libre: • presentes en el suelo: bacterias no fotosintéticas

(Azotobacter, Azospirilum) • presentes en el suelo o en cuerpos de agua: cianobacterias

y bacterias fotosintéticas no productoras de O2

Fijadores simbiontes: • diferentes grupos de bacterias, cianobacterias y

actinomicetes • con especificidad de hospedante

Fijación de N: la nitrogenasa


La nitrogenasa es sensible al O2

Todos los fijadores usan una única enzima nitrogenasa La enzima consta de varias subunidades con varios cofactores metálicos. La reacción de fijación del N tiene alto consumo de energía y de poder reductor

Fijación de N: la nitrogenasa


La nitrogenasa es sensible al O2

Reacción global de la nitrogenasa

N2 + 16 ATP + 10 H+ + 8e– → 2 NH4 + + H2 + 16 ADP + 16 Pi

La expresión de los genes que codifican para las varias subunidades de la enzima está altamente regulada por las condiciones ambientales: • Se activa en condiciones anaeróbicas y limitantes de N combinado • Se inactiva en presencia de O2 y alta concentración de N

combinado

Fijación simbiótica de N: leguminosas


Nódulos en la raíz de soja (Glycine rex) producidos por la infección de Bradyrhizobium

Distintas especies de rizobios que colonizan específicamente a las especies de leguminosas

CT de un nódulo

zona central de células parenquimáticas conteniendo bacteroides

corteza

1. La raíz libera atractantes y elicitores de la expresión de genes Nod

2. Las bacterias liberan factores Nod 3. La planta cambia su flujo de iones, expresa

proteínas de nodulación, es infectada y se genera un nódulo

Etapas de la nodulación Liberación de bacterias en la célula cortical de la raíz

Nódulos maduros en la raíz de arveja



Porque contienen Leg-hemoglobina

¿Por qué los nódulos son rosados?

• La leg-hemoglobina es sintetizada por la planta sólo cuando hay simbiosis

• Modula la concentración de O2 en el nódulo

• Protege la actividad de la nitrogenasa



Leg-hemoglobina hemoglobina humana



El desarrollo del nódulo es un proceso complejo regulado por la interacción entre planta y rizobio

CT de un nódulo

zona central de células parenquimáticas conteniendo bacteroides

corteza



Los bacteroides son más grandes que las bacterias libres y tienen morfologías variadas, están en grupos y rodeados de la membrana plasmática de la célula infectada

bacteroides

célula infectada célula no infectada

bacteroides + membrana plasmática = simbiosoma

Infección y formación de nódulos en la raíz

Bacterias unidas a un pelo radical

emergente

Desarrollo de los filamentos de infección

Fil. de infección conteniendo rizobios

Infección de raíz de soja por Bradyrhizobium japonicum

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Bacteroides en el nódulo, cada grupo rodeado de membrana

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CT de raíz a la altura de los pelos absorbentes

La infección involucra una serie de eventos de comunicación entre la planta y el rizobio específico para ella La planta emite sustancias de

atracción. El rizobio produce señales que afectan el crecimiento del pelo radicular

Se forma un filamento de infección con un mecanismo de endocitosis las bacterias permanecen rodeadas de membrana de la célula hospedante



Los rizobios pierden sus paredes y se agrandan bacteroides Proliferan dentro de las células de la corteza de la raíz Mediante la secreción de factores Nod los bacteroides inducen la división celular del parénquima cortical generando un nódulo (= tumor)

La formación de los nódulos es un proceso histológicamente complejo y requiere un intercambio de

señales moleculares entre los rizobios y la planta

Los bacteroides reciben compuestos carbonados de las células hospedantes del parénquima de la raíz y le brindan N asimilado La energía necesaria para la fijación de N2 proviene originariamente de la fotosíntesis. El compuesto carbonado transportado desde la parte aérea a los nódulos, vía floema, es la sacarosa.

•El malato proveniente del metabolismo de la célula hospedante es oxidado por el ciclo de Krebs en el bacteroide el malato es utilizado como fuente de energía y de poder reductor por los bacteroides •Los bacteroides proveen amonio a la célula hospedante, que mantiene baja la [O2] mediante síntesis de Leg-hemoglobina (Lb)

Fijación de N: Bioquímica de la simbiosis


Fijación de N en cianobacterias de vida libre

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heterocisto

células vegetativas

acineta

La fijación de N en algunas cianobacterias está confinada a células especiales llamadas heterocistos

Nostoc

heterocistos

Los heterocistos poseen nitrogenasa y no tienen FS2. Su formación está controlada por genes que se “encienden” a baja concentración de nitrato o amonio. Están conectados con células vecinas por plasmodesmos, por los que reciben carbono fijado por fotosíntesis e intercambian N fijado

Fijación de N en cianobacterias de vida libre

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Simbiosis entre el helecho Azolla y la cianobacteria Nostoc Las cianobacterias no forman nódulos pero están presentes en cavidades de las hojas

Las cianobacterias simbiontes

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Azolla en campos de arroz: fertilizante natural

Azolla La parte dorsal de las hojas bilobadas tiene una cavidad con cianobacterias simbiontes

Raven Biology of Plants 2013

Muérdago (Phoradendrum leucarpum) creciendo sobre un enebro

Otras maneras de adquirir N


Plantas parásitas: no desarrollan verdaderas raíces sino haustorios desde donde absorben los nutrientes de la planta hospedante

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Otras maneras de adquirir N


Plantas carnívoras: Viven en ambientes acídicos donde se dificulta

la nitrificación. Secretan enzimas que digieren los animales que atrapan absorben formas combinadas de N

Sarracenia, Nepenthes

Dionaea

El N disponible para la absorción


Nabors 2006 Introducción a la Botánica

El transporte del nitrógeno


Nitrógeno combinado en el xilema de plantas cultivadas con

nitrato (NO3-) como fuente de N

Entre las plantas existe variabilidad en la forma de N que es transportada por la vasculatura

El amonio no se transporta!!!

Asimilación de amonio El NH4

+ es tóxico porque disipa gradientes de protones a través de las membranas biológicas debe ser rápidamente asimilado

Fuentes de NH4+ interno en la célula vegetal:

Reducción de nitrato, catabolismo (hidrólisis) de proteínas, fotorrespiración

El movimiento del amonio de un lado a otro de la membrana hace se igualen las concentraciones de protones de ambos lados


Asimilación de amonio


La asimilación de NH4+ requiere de energía y de dos enzimas

que se encuentran en el citoplasma y en los plástidos:

Glutamina sintasa = GS Glutamato sintasa = GOGAT

Una vez que el de NH4+ está unido a una molécula orgánica

deja de ser tóxico

Síntesis de aminoácidos


aminoácidos proteínas Los aminoácidos se sintetizan por transaminación (transferencia de grupo amino) •entre dos aminoácidos •entre un aminoácido y ácidos de 3 ó 4 C (provenientes de la glicólisis y el ciclo de Krebs) en reacciones catalizadas por diferentes enzimas

Aminación

Transaminación

Roundup®

Asimilación de nitrato


El N también puede ser absorbido por las raíces como nitrato Dependiendo de la especie y la demanda de N puede ser:

•asimilado en la raíz • transportado por el xilema en esa forma hasta las hojas,

donde es asimilado En la asimilación del nitrato participan dos enzimas Nitrato reductasa: citosólica, consume NADH o NADPH

NO3– + NAD(P)H + H+ + 2 e– →NO2

– + NAD(P)+ + H2O Nitrito reductasa: plastídica, consume ferredoxina (del FS1)

NO2– + 6 Fer red. + 8H+ + 6 e– →NH4

+ + 6 Fer ox + 2H2O

xilema

Asimilación de N en el mesófilo de la hoja

El N llega a la célula como nitrato (NO3-) vía xilema

Entra al citoplasma mediante un transportador (NRT) Es reducido a nitrito (NO2

-) en el citoplasma El nitrito entra al cloroplasto y es reducido a amonio (NH4

+) El amonio se utiliza para sintetizar aminoácidos en el cloroplasto y en el citoplasma

Se consumen ATP y poder reductor. La ferredoxina (Fd) reducida proviene de la fotosíntesis

Las vías del N en las plantas

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Un resumen:





El fósforo


El fósforo también forma parte de moléculas esenciales para la estructura y la función de las plantas Especialmente todas las reacciones de transferencia de energía La entrada de fósforo a la biósfera por las plantas lo hace disponible para los animales El fosforo se absorbe como fosfato (PO4

3-)

ácidos nucleicos fosfolípidos de membrana

nucleótidos del metabolismo: ATP, NAD(P)

moléculas de señalización

El ciclo del fósforo


No involucra una fase gaseosa

El fosforo se absorbe como fosfato (PO4

3-)

El fósforo


El fosfato es absorbido por la raíz mediante transportadores específicos, con gasto de energía Se expresan distintos transportadores con distintas afinidades por el PO4

3- mayor afinidad a menor PO43- disponible

El PO43- se acumula en las vacuolas

Cuando el PO4

3- está combinado en moléculas orgánicas Cuando el suelo es alcalino o calcáreo Soluciones: • Liberación de fosfatasas: enzimas que liberan PO4

3- • Secreción de ácidos orgánicos para bajar el pH y atrapar cationes • Asociación con microorganismos

la planta no lo puede absorber

Adaptaciones a baja [fósforo]


Secreción de ácidos orgánicos para bajar el pH y atrapar cationes En suelos muy pobres raíces proteoides (gén. Protea) aumentan la superficie de contacto con el suelo, exudan ácidos orgánicos



Asociaciones con microorganismos Ectomicorrizas: asociaciones específicas con hongos que aumentan significativamente la superficie de exposición al suelo y de intercambio de la raíz. El hongo no penetra la raíz, sólo la rodea



Asociaciones con microorganismos Endomicorrizas: asociaciones con hongos que aumentan significativamente la superficie de exposición al suelo y de intercambio de la raíz. El hongo penetra la células de la corteza radical. No son muy específicas, ocurren en el 80% de las plantas vasculares Micorriza arbuscular

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