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La enzima Óxido Nitroso Reductasa de B. japonicum es clave en la mitigación de la

emisión de N2O por nódulos de plantas de soja

Tortosa, G., Jimena-Bonillo, J.D., Hidalgo-García, A. , Bedmar, E.J., Mesa, S. y Delgado, M.J.

Grupo de investigación “Metabolismo del Nitrógeno”Departamento de Microbiología del Suelo y Sistemas Simbióticos.

Estación Experimental del Zaidín (EEZ), CSIC. Apartado Postal 419, 18080-Granada

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“Control de la emisión del gas invernadero N2O por

bacterias endosimbióticas asociadas a cultivos de leguminosas”

Plan Nacional (AGL2010-18607)Investigadora Principal: Dra. Mª Jesús Delgado Igeño

Año Inicio: 2011 Año Fin: 2014

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Mecanismos de emisión de N2O en un suelo agrícola

Dos procesos microbiológicos fundamentales: Nitrificación y Desnitrificación

Un exceso de abonado nitrogenado (nitrato, amonio, etc.) afecta a dichos procesos incrementando la emisión de N

2O

Baggs (2008)

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● Reducción de emisiones de N2O en la agricultura:

– Reducir dependencia de los fertilizantes nitrogenados sintéticos

– Desarrollo agricultura sostenible, eficaz y competitiva con el menor coste medioambiental.

● Estrategia que cumple ambos criterios: Fijación Biológica de Nitrógeno (FBN) por la simbiosis rizobio-

leguminosa

– Permite incrementar la fertilidad de los suelos sin perjudicar el medio ambiente,... aunque en algunas condiciones, también puede contribuir a la emisión de N

2O

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Bradhyrhizobium japonicum-Glycine max L. Sinorhizobium meliloti-Medicago sativa L.

Rizobios, bacterias del suelo gram-negativas capaces de fijar nitrógeno tanto en vida libre como por simbiosis con plantas leguminosas mediante la formación de nódulos en las raíces

Estos microorganismos poseen la enzima nitrogenasa (FBN)

Algunos modelos de estudio: B.japonicum-soja y S.meliloti-alfalfa

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Sistemas modelo de estudio de la FBN y de la desnitrificación: B.japonicum-soja y S.meliloti-alfalfa

La óxido nitroso reductasa (N2OR) es la única enzima conocida

capaz de reducir el N2O a N

2

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Prácticas agrícolas y factores ambientales que influyen tanto en su actividad como en su regulación pueden ser claves en la reducción de la

emisión de N2O

Richardson et al., (2009)

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● Objetivo de la investigación:

– FBN como estrategia para reducir la emisión de N

2O (B.japonicum-Soja y S.meliloti-Alfalfa)

● Hipótesis:

– Estudio combinado de la FBN y desnitrificación. Factores ambientales que influyen para una optimización de ambos procesos

● Tratamientos:

– Factores ambientales estudiados: ● Nitrato● Hipoxia● Cu y pH

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● Materiales y Métodos:

Plantas de soja inoculadas con cepas de B. japonicum

Riego con disolución nutritiva (DN) con 0 y 4 mM de nitrato desde el principio según tratamiento

35 días de crecimiento en cámara de cultivo (condiciones controladas de luz y temperatura)

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Tras el crecimiento, las raíces se encerraron en un sistema de cámara cerrada (Fig.) para el análisis de N

2O

por CG-ECD en el espacio de cabeza

TRES CONDICIONES DE ANÁLISIS:

Condiciones CONTROL (25% del volumen con DN)

Condiciones HIPOXIA radicular inundando las raíces (a corto plazo o “short-term”) (75% del volumen con DN)

Actividad N2O reductasa (N

2OR): inyección de

N2O y consumo a lo largo del tiempo

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Resultados

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Efecto del nitrato y la hipoxia radicular

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Efecto del nitrato y la hipoxia radicular

0 mM nitrato 4 mM nitrato0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

PS

PA

(g

)

0 mM nitrato 4 mM nitrato0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

PS

R (

g)

0 mM nitrato 4 mM nitrato0,000

0,020

0,040

0,060

0,080

0,100

0,120

0,140

PS

N (

g)

El efecto del nitrato no produce un incremento de la biomasa (PSPA y PSR) ni afecta al desarrollo nodular (PSN)

En presencia de 4 mM de nitrato, la FBN parece ser la principal fuente de adquisición de N (Sánchez et al., 2011)

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Efecto del nitrato y la hipoxia radicular

CONTROL (0 mM nitrato) HIPOXIA (0 mM nitrato) CONTROL (4 mM nitrato) HIPOXIA (4 mM nitrato)0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Tasa de emisión (6-4h)n

mo

les

N2

O/P

SN

(g)/

h

El nitrato es fundamental para la emisión de N2O

La hipoxia radicular a corto plazo induce la emisión de N2O

CONTROL (0 mM nitrato) HIPOXIA (0 mM nitrato) CONTROL (4 mM nitrato) HIPOXIA (4 mM nitrato)0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Tasa de emisión (6-4h) expresada como nmoles N2O/PSN(g)/h

nm

ole

s N

2O

/PS

N(g

)/h

0 1 2 3 4 5 6 70

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Tiempo de incubación (h)

nm

ole

s d

e N

2O

/PS

N(g

)

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Estudio del papel de la desnitrificación

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USDA110 napA nosZ0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Tasa de emisión (6-4h)

CONTROL (4 Mm nitrato)

HIPOXIA (4 mM nitrato)

nm

ole

s N

2O

/PS

N(g

)/h

Implicación de la desnitrificación en la emisión de N

2O

La mutante napA no emite y la mutante nosZ si confirmando el papel de la desnitrificación

USDA110

napA

nosZ

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N2OR es fundamental para reducir el N

2O

USDA110

nosZ

0 1 2 3 4 5 6 70

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

USDA110

nosZ

Tiempo de incubación (h)

nm

ole

s N

2O

/PS

N (

g)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% de consumo de N2O añadido

USDA110

nosZ

Cepa

% d

e N

2O

co

nsu

mid

o

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● Principales conclusiones:

– La FBN del sistema simbiótico B.japonicum-soja es una estrategia eficaz para reducir la dependencia de fertilizantes nitrogenados sintéticos (no necesita nitrato para crecer)

– El nitrato es la principal causa de emisión de N2O por

los nódulos de B. japonicum

– Lo hace mediante el proceso de desnitrificación del bacteroide

– Este proceso se desarrolla especialmente en cuando las raíces sufren encharcamiento a corto plazo.

– La N2OR tiene un papel fundamental en la reducción

del N2O a N

2

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