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
“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
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)
● 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
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
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
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)
● 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
● 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)
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
Resultados
Efecto del nitrato y la hipoxia radicular
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)
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
)
Estudio del papel de la desnitrificación
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
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
● 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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