Fixarea azotului

Fixarea azotului atmosferic sau azotului fixare constă în reducerea, prin nitrogenase , azot molecular _(N2) în azot de amoniu _(NH3). Azotul de amoniu este pus ulterior la dispoziția multor molecule biologice importante, cum ar fi aminoacizii , proteinele , vitaminele și acizii nucleici, prin procesele de nitrificare și nitrație . Reacția de fixare a azotului poate fi descrisă după cum urmează:

N ₂ + 8H ⁺ + 8e ^- + 16 ATP → 2NH ₃ + 16ADP + 16 P _i + 1 H ₂

Hidrogenul utilizat în această reacție derivă din oxidarea glucidelor, din care agenții de fixare a azotului obțin și energia necesară (sub formă de ATP). Mai mult, sunt implicați și catalizatori metalici precum molibden (Mo) și vanadiu (V). Această acțiune este realizată de diazotrofe , microorganisme libere din sol și apă sau legate în simbioză cu plantele superioare.

Exemple de fixare a azotului

Reprezentarea schematică a ciclului azotului.

Microorganisme fixatoare de azot nesimbiotic

Sunt în principal bacterii aparținând genurilor Clostridium și Azotobacter . Bacteriile din genul Clostridium se găsesc în toate tipurile de sol și atât în apele dulci, cât și în apele sărate. Răspândirea lor este limitată doar de prezența oxigenului, deoarece acestea sunt bacterii anaerobe. În aceste cazuri, însă, pot supraviețui în simbioză cu alte microorganisme aerobe sau facultative anaerobe prezente în straturile cele mai superficiale ale solului . De asemenea, sunt activi în soluri acide până la pH 5,5. Diferitele specii din genul Clostridium care desfășoară activitate de fixare a azotului sunt autotrofe pentru acest element chimic, dar nu atât pentru carbonul pe care îl derivă din carbohidrații deja prezenți în sol. Oxidarea acestuia din urmă are loc în condiții anaerobe și, prin urmare, nu este doar incompletă (de fapt, rămân subproduse precum acizi organici, alcooli, acetonă etc.), dar și randamentul energetic este mai mic decât cel obținut cu oxidarea din aceiași compuși în condiții aerobe. În consecință, eficiența fixării azotului este, de asemenea, mai mică decât cea efectuată de speciile din genul Azotobacter , care sunt aerobe: randamentul Clostridium este de aproximativ 3-7 mg azot fix la 1 g carbohidrați, în timp ce cel al Azotobacter este estimat la să fie în jur de 10-12 mg de azot la 1 g de carbohidrați. Speciile din genul Azotobacter sunt, de asemenea, răspândite în toate solurile și în apele dulci și sărate și, prin urmare, pot coexista cu cele din genul Clostridium, deși în procente variate în diferite condiții chimico-fizice, datorită diferitelor nevoi metabolice: bacteriile din genul Azotobacter , de fapt, nu tolerează pH mai mic de 6,0 și, fiind aerob, necesită o oxigenare bună. Mai mult, nu sunt capabili să demoleze celuloza și, prin urmare, în cazurile în care aceasta este singura sursă de carbon disponibilă, trebuie să intre în simbioză cu alte microorganisme capabile să o degradeze. Abilitatea genurilor Clostridium și Azotobacter de a fixa azotul atmosferic se datorează în principal lipsei acestui element în sol: dacă amoniacul sau nitrații abundă în sol, activitatea de fixare a azotului acestor bacterii încetează (la fel de mult consumatoare de energie) și alte surse de compuși de azot sunt exploatate. Prin urmare, aceste organisme sunt autotrofe facultative pentru azot.

Microorganisme de fixare a azotului simbiotic

Simbioza de fixare a azotului este tipică plantelor pioniere potrivite pentru a trăi în soluri sărace sau „defavorizate” din punct de vedere ecologic. Cel mai cunoscut exemplu de simbioză fixatoare de azot este cel dintre Leguminosae și Rhizobium leguminosarum . Alte exemple sunt cele dintre arinul napolitan sau arinul negru și actinomicetele din genul Frankia ( Frankia alni ) prezente în special rădăcini laterale numite actinorrize . Cătina ( Elaeagnus rhamnoides ) găzduiește, de asemenea, actinomicete în nodulii săi radiculari. Specii din genul Cycas posedă cianobacterii simbiotice prezente pe rădăcinile de corali. Bacteriile din genul Rhizobium se instalează în rădăcinile gazdei, inducând formarea de noduli radicali tipici, iar aici, deoarece sunt autotrofe numai pentru azot, scad din compoziția organică și săruri minerale din gazdă, producându-l în schimb compuși de azot. Aceste schimburi sunt favorizate de țesuturi vasculare particulare și caracteristice care se dezvoltă chiar în interiorul nodulilor radicali. Mai mult, atunci când planta moare (și odată cu ea și bacteriile simbiotice), cantitățile mari de compuși azotați care s-au acumulat în interiorul acestor microorganisme sunt eliberate în sol care, prin urmare, primește un aport suplimentar de azot și cu siguranță mult mai mare decât ceea ce poate fi obținută numai prin degradarea simplă a țesuturilor vegetale moarte. În orice caz, Rhizobium este, de asemenea, un autotrof opțional pentru azot și, prin urmare, deși poate fixa până la 100 mg din acest element pe gram uscat de nodul rădăcină, preferă, atunci când este posibil, să îl obțină din alte surse. În plus, aceste bacterii pot trăi și funcționa chiar și în soluri acide până la un pH de 4,2-4,5 (deși preferă soluri neutre sau ușor alcaline), dar necesită alte elemente precum calciu (Ca), fosfor (P), molibden ( Mo), cobalt (Co), bor (B) și fier (Fe). Din toate aceste motive, solurile care sunt foarte sărace în aceste elemente chimice, precum și azotul sunt colonizate de arini sau de cătină. Cu toate acestea, în toate cazurile de simbioză, s-a observat că fixarea azotului se realizează eficient numai atâta timp cât este posibilă fotosinteza plantelor gazdă. Dacă acest lucru este prevenit pentru o lungă perioadă de timp, microorganismele prezente în nodulii rădăcinii se pot transforma chiar în agenți patogeni și pot invada țesuturile gazdei până la a le provoca moartea.

Mecanismul infecției

Faza extraradicală

Comunicarea dintre simbionți este permisă în faza suplimentară de semnale solubile emise de plantă, care ghidează rizobiul către sistemele radiculare. Faza internă, de formare, necesită prezența fizică a bacteriei, nu poate începe înainte sau poate fi pregătită în amonte de infecție. Majoritatea infecțiilor acționează cu un grad ridicat de specificitate.Toate bacteriile din acest gen au gene nod, care rămân tăcute în absența organismului gazdă. Doar o porțiune din cap, D, rămâne activată constant, deoarece codifică proteinele care reacționează la flavonoidele eliberate de plante. Expresia genelor nodului codifică factorii care afectează planta cu modificări morfologice (deformarea firelor de păr). Fiecare genă nod codifică în general proteinele cu funcție enzimatică activă sau de transport împotriva unei singure molecule. Un alt lucru este factorul Nod, o polizaharidă substituită care induce reacții morfogenetice în organismul plantei gazdă, inclusiv:

deformarea firelor de păr rădăcină, într-o conformație adecvată recrutării celulelor bacteriene
reluarea activității mitotice a celulelor corticale; în timpul fazei intra-radicale vor crea nodulul propriu-zis în cadrul căruia vor apărea infecții mutualiste
expresia modulinei timpurii

În ultimele etape ale părții extra-radicale, bacteriile exprimă LCO, pentru a modula nivelurile de calciu din celulele care urmează să fie infectate; concentrația fluctuează între valori bine definite și cu sincronizare repetabilă; din aceasta se presupune că este permisă specificitatea răspunsului celular la stimul.

Faza intraradicală

După cum sa menționat, necesită prezența fizică a bacteriei, semnalizarea nu mai este suficientă. Împarte cele 4 faze principale:

atacul bacteriei la suprafață
formarea tubului de infecție
endocitoza
diferențierea celulelor infectante

Etapele au loc în această secvență și transportă bacteria de la suprafața zonelor radiculare până la colonizarea citoplasmei celulelor nodulare.

Filament de infecție

Este o structură formată de plantă pentru a crea un canal potrivit pentru trecerea bacteriilor care nu ar beneficia de colonizarea celulelor externe ale rădăcinilor. Deoarece scopul bacteriilor este reproducerea și creșterea exponențială a numărului, numărul de celule care intră efectiv în filament este redus, astfel încât o infecție care poate extruda substanțe nutritive în mediul extern poate apărea de la câțiva precursori, astfel încât bacteriile lăsate excluse. din infecție se poate hrăni și prolifera. Spre deosebire de ceea ce se va vedea pentru ciuperci, filamentul infecției trece prin celulele plantei; de fapt, ei înșiși îl creează, trecând în faza G2 și la ultima încetinire a diviziunii celulare, cu formarea unui fragmosom în locul fragmoplastului comun datorită acțiunii pereților celulari în formare. În celulele care nu sunt încă infectate, se formează o punte citoplasmatică pentru a direcționa filamentul. Concomitent cu penetrarea bacteriană și formarea filamentului de infecție, celulele corticale intră în mitoză , oferind conturul nodulului primordial (cortexul interior). În timpul mișcării rizobiei în filamentul infecției, aceasta este responsabilă pentru controlul numărului de noduli, dar și pentru verificarea compatibilității și selecției tulpinilor bacteriene infectante. O recunoaștere finală (în urma primarului cu produsele genelor nod) poate proveni din componentele membranei (amintiți-vă că rizobii sunt gram negativi), cum ar fi LPS, EPS și β-glucani ciclici care împiedică planta să efectueze răspunsuri de apărare.

Eliberare în celulă (endocitoză)

Până în prezent nu s-a putut vorbi încă de infecție adevărată, ci doar de mișcare într-un canal de ghidare. Ajuns în zona cortexului interior, filamentul infecției mediază trecerea simbionților de la matricea sa la citoplasma celulelor vegetale ale nodului care se formează.

Reacția rizobului

Cum reacționează bacteria la intrarea în citoplasmă? În primul rând, își blochează diviziunea celulară, diferențându-se într-o formă numită bacteroidă, care este competentă pentru fixarea azotului, în timp ce continuă să producă structurile de suprafață de protecție menționate anterior. Se pare că întreaga reglare genetică a rizobiei pe tot parcursul ciclului complex de infecție depinde de un sistem de detectare a cvorumului mediat de homoserină-lactonă.

Reacția plantei

Metabolismul unei plante infectate se schimbă dramatic. Există o acțiune metabolică minoră la nivelul plastidelor în ceea ce privește transformarea compușilor anorganici de azot în amoniac care pot fi utilizați pentru sinteza aminoacizilor. Câștigul plantei este fără îndoială; producerea de azot organic gata imediat pentru procesele de biosinteză . Bacteria, pe de altă parte, obține mediul microaerob perfect pentru dezvoltarea sa, datorită formării barierelor de permeabilitate redusă produse de plantă și recrutării oxigenului de către picioare-hemoglobine (cu o afinitate de 10 ori mai mare decât cea a animalelor ). Respirația bacteriei într-un mediu controlat permite reducerea suplimentară a oxigenului citosolic și funcționarea nitrogenazelor. Nu numai; populațiile care încă locuiesc în rizosferă primesc substanțe nutritive sub formă de opinii vegetale a căror producție este indusă de rizobia rezidentă în plantă. Toate aceste schimburi sunt permise de un lanț de transportoare care se poziționează la interfața celulă-rizob, cum ar fi pompele ATP-asic, transportorii de nutrienți, cum ar fi acizii carboxilici și, bineînțeles, transportatorii de amoniac.

Alte exemple

Salcâm spp.
Casuarina spp., Allocasuarina spp. și alte genuri din familia Casuarinaceae
Lobaria spp. și alți licheni
Azolla spp.
Gunnera spp.
Ceanothus spp.
Myrica spp.
Purshia tridentata
Shepherdia argentea
Fabaceae spp.

Simbioza are mai multe avantaje atât pentru plantele superioare, cât și pentru microorganisme.
În arboricultura lemnului, îmbogățirea consecventă a azotului disponibil în sol este interesantă grație descompunerii frunzelor plantelor fixatoare de azot care în acest sens facilitează creșterea celorlalte specii prezente în plantă. Cantitățile de azot fixate pe unitate de suprafață terestră sunt foarte variabile; cu titlu de exemplu, soia poate fixa 60 kg de azot la hectar pe an.