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.