Metabolismo da Fixação do N2

Universidade Federal Rural da Amazônia
Curso de Doutorado em Ciências Agrárias
Área de concentração- Agroecossistemas na Amazônia
Disciplina: Tópicos Especiais
METABOLISMO DA FIXAÇÃO BIOLÓGICA DO N2
Dr. Roberto Cezar Lobo da Costa
INTRODUÇÃO
 O nitrogênio é um dos elementos considerados essenciais para a
vida no planeta, está presente em várias partes das células, mais
particularmente nas proteínas
 O nitrogênio é essencial para o crescimento de plantas e grãos e
posteriormente incorporado nos organismos dos animais, a
incorporação deste gás necessita que o mesmo seja transportado da
atmosfera para o solo
 A principal rota é a fixação do nitrogênio, que é a transformação do
nitrogênio atmosférico em compostos, a fixação biológica é feita por
certos procariotos, como bactérias, mais especificamente
cianobactérias e actinomicetos.
Algumas das bactérias responsáveis pela incorporação do nitrogênio em
outros compostos podem existir e atuar individualmente, como é o caso
da Azotobacter e da Clostridium, porém a mais importante, Rhizobium,
forma associações simbióticas com plantas superiores como legumes
(feijão, ervilha, alfafa e acácia), cujas raízes são colonizadas por estas
bactérias.
Exemplos de bactérias fixadoras de azoto
De vida livre
Aeróbicas
Em simbiose com plantas
Anaeróbicas
Azotobacter
Clostridium (algumas)
Beijerinckia
Desulfovibrio
Klebsiella (algumas)
Bactérias sulfurosas
purpúreas*
Cyanobacteria* (algumas)
Bactérias não-sulfurosas
purpúreas*
Bactérias sulfurosas
verdes*
*bactéria fotossintética
Com leguminosas
(ex:trevo, feijão)
Rhizobium
Com outras plantas
Frankia Azospirillum
FORMAÇÃO DOS NÓDULOS.
1 – CRESCIMENTO DOS PÊLOS RADICULARES. AS RAÍZES EXSUDAM
COMPOSTOS ORGÂNICOS, TAIS COMO, AÇÚCARES, AMINOÁCIDOS,
ETC.
QUE
IRÃO
ATRAIR
AS
BACTÉRIAS
RHIZÓBIA
(QUIMIOTACTISMO), FORMANDO UMA “RHIZOSFERA MICROBIANA”.
2 – OS PÊLOS RADICULARES ELIMINAM EXSUDADOS ESPECÍFICOS
(FLAVANÓIDES-ANTOCIANINAS) PARA ATRAIR AS BACTÉRIAS PARA
AS RAÍZES E INDUZIR ESPECIFICIDADE ATRAVÉS DO GENE NOD DA
BACTÉRIA (NODULAÇÃO).
FORMAÇÃO DOS NÓDULOS
Crescimento dos pêlos radiculares.
Asraízesexsudamcompostosorgânicos,taiscomo,açúcares,aminoácidos,etc.quei
rãoatrairasbactériasrhizóbia(Quimiotactismo),formando
uma“rhizosferamicrobiana”;
Os pêlos radiculares eliminam exsudados específicos(flavanóides
antocianinas)paraatrairasbactériasparaasraízeseinduzirespecificidadeatravé
sdo gene nod da bactéria(nodulação);
A bactéria Rhizóbia atraca na superfície do pêlo radicular(provavelmente pela
proteína específica-LECTINA-glicoproteína);
A bactéria Rhizóbia digere a parede celular e forma o CORDÃO DE
INFECÇÃO(forma de tubo) para dentro do córtex da raiz, onde penetram e se
multiplicam intensamente, ocorrendo também intensa divisão celular das
células corticais que se exteriorizam, formando o NÓDULO
À esquerda observam-se nódulos nas raízes de Medicago sativa (alfalfa)
inoculada com S. meliloti 2011. À direita vêem-se plantas leguminosas a
crescer em meio pobre em azoto, na presença (plantas à esquerda) e na
ausência (à direita) de Rhizobium.
A NITROGENASE E A REAÇÃO DE FIXAÇÃO DE NITROGÊNIO
N2
NH3(NH4+)
Nitrogenase(Nase)
A reação de fixação do nitrogênio caracteriza-se pela redução do
N2àNH3(NH4+)
A enzima nitrogenase é formada por duas unidades protéicas ,a Ferroproteína(Fe-proteína)
e
a
Molibdênio-Ferro-proteína(MoFeproteína),ambas capazes de transportar elétrons. Durante a reação de
redução do N2,a nitrogenase é auxiliada por uma terceira molécula
transportadora de elétrons, a ferridoxina
N2 + 16 ATP + 8 e- + 8H+ ---> 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi.
A nitrogenase de molibdênio consiste de uma ferro-proteína (Feproteína) e de
uma molibdênio-ferro-proteína (MoFe-proteína). A
Fe-proteína funciona como doadora de elétrons para a MoFe-proteína
(que contém o cofator da enzima, FeMoco), num processo dependente
de hidrólise de MgATP.
AS NITROGENASES ALTERNATIVAS
Contrariando as considerações históricas sobre a importância essencial do
molibdênio para o funcionamento das nitrogenases17, ainda na década de 80
descobriu-se que várias classes de bactérias são capazes de fixar nitrogênio em
condições de deficiência de molibdênio, utilizando sistemas enzimáticos
alternativos, como a nitrogenase de vanádio e ferro (nitrogenase VFe)10,18, ou a
que contém apenas ferro10 como metal de transição (nitrogenase Fe).
Estudo da Arte
Um quarto tipo de nitrogenase foi recentemente caracterizado na bactéria
termofílica Streptomyces thermoautotrophicus, cuja propriedade mais notável é
a dependência de oxigênio e do radical superóxido - ambos nocivos para a
maioria das nitrogenases
N2 + 8e- + 8H+ + 4-12MgATP → 2NH3 + H2 + 4-12MgADP + 4-12 PO4 3-
A reação é acoplada à oxidação de monóxido de carbono realizada por uma
enzima do tipo desidrogenase, que contém molibdênio. Esta enzima usa os
elétrons da oxidação do CO para reduzir oxigênio até radicais superóxidos que,
por sua vez, são reoxidados a O2 por uma enzima superóxido óxidoredutase, que
contém manganês. Os elétrons são finalmente transferidos para uma MoFenitrogenase, que reduz nitrogênio até amônia.
Quando a enzima nitrogenase está ativa, o interior dos nódulos
apresenta uma coloração rósea que indica a presença de moléculas
transportadoras de O2, necessário para a respiração dos bacteróides
(bactérias com alterações bioquímicas).
A LEGHEMOGLOBINA
O QUE AS PLANTAS FAZEM?
ESTRATÉGIAS
Estratégia anatômica
 O parênquima do nódulo
funciona como uma barreira de
difusão do O2.
 Os espaços intercelulares são
pequenos e pouco numerosos,
podendo ser preenchidos com
água
Estratégia bioquímica
 As células vegetais da região central do
nódulo produzem a leghemoglobina
(hemoglobinadasleguminosas)
 A molécula é um carregador de O2,que
garante que os bacterióides recebam o O2
necessário para sua respiração, evitando
que o gás circule livremente no nódulo
GENES ENVOLVIDOS NA FIXAÇÃO BIOLÓGICA DO NITROGÊNIO
Família Rhizobiaceae
Síntese da nitrogenase: Genes nif
Codificação da ferridoxina: Genes fix
FORMAÇÃO DOS NÓDULOS
Genes nod (nodulação)
São encontrados na bactéria, sendo responsáveis pela produção da proteína que
recebe o sinal químico da planta hospedeira(os flavonóides-antocianinas)e pela
produção das enzimas que sintetizam o fator de nodulação.
nodulinas
As nodulinas (p.ex. a LEGHEMOGLOBINA) desempenham papel
importante na formação e manutenção do nódulo radicular.
BIOQUÍMICA DA FIXAÇÃO BIOLÓGICA DO NITROGÊGIO
FORMAÇÃO DOS UREÍDEOS
- São compostos resultantes da fixação do N2 e baseados na estrutura da uréia;
- Os principais compostos são: Alantoínas, Ác. Alantóico e a Citrulina,
EXEMPLOS
TRANSPORTE DE COMPOSTOS NITROGENADOS EM SOJA CULTIVADA COM DIFERENTES FONTES DE NITROGÊNIO
HAIKO ENOK SAWAZAKI , LADASLAV SODEK, e JOÃO PAULO FEIJÃO TEIXEIRA
1. Os três processos de assimilação de nitrogênio, fixação de N2, absorção de NH4 e
Plantas
de soja
inoculadas
com aminoácidos
Rhizobium japonicum
foram
cultivadas
emmais
vermiculita
absorção
de NOi,
originaram
e ureídeos,
sendo
a fixação
voltada
com
solução
nutritivadesem
nitrogênio,
casa dede
vegetação,
no para
Centroa Experimental
para
a formação
ureídeos
e a em
absorção
N-mineral,
formação de
deaminoácidos.
Campinas, do Instituto Agronômico. Foi estudado o efeito quanto aos níveis de
urefdeos (alantoína e ácido alantóico), aminoácidos (total e qualitativo por analisador
encontrados
na alantóico
seiva do xilema
2.de
Foiaminoácidos),
encontrada NO3
maiore NH4,
proporção
de ácido
em relação a alantoína, e essa
proporção aumentou com a exposição de planta a N-mineral, sugerindo a ocorrência de
maior atividade da alantoinase quanto menor o teor de ureídeos.
BIOQUÍMICA DA FIXAÇÃO BIOLÓGICA DO NITROGÊGIO
FORMAÇÃO DOS UREÍDEOS
- São compostos resultantes da fixação do N2 e baseados na estrutura da uréia;
- Os principais compostos são: Alantoínas, Ác. Alantóico e a Citrulina,
UREÍDEOS X ESTRESSE HÍDRICO
UREIDEOS NO XILEMA
A
controle
80
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
DIAS DE ESTRESSE
6
mmoles N-ureideo/L seiva
mmoles N-ureídico / L seiva
UREIDEOS - XILEMA
estresse
80
60
40
20
0
1
2
DIAS APÓS A REHIDRATAÇÃO
A
A importância da fixação biológica de N2 - PRODUTIVIDADE
Soja em vasos de 4,5 kg do Argissolo,
inoculado ou não, inoculado com
Bradyrhizobium japonicum. (90 DAP)
Uma linha de soja não inoculada com
Bradyrhizobium
Aumenta a produtividade do feijão-caupi na região Pré-Amazônia com a
inoculação com rizóbios
Antonio Carlos Reis de Freitas1, Norma Gouvêa Rumjanek2 e Gustavo Ribeiro Xavier2
O feijão-caupi, também conhecido como feijão macaçar ou feijão-de-corda
é cultivado predominantemente nas regiões Norte e Nordeste,
principalmente por sua adaptação às condições edafoclimáticas. Nestas
regiões o rendimento médio é de 300 a 400 kg ha-1, abaixo do potencial
da cultura que pode chegar até 6t/ha (FREIRE FILHO et al., 1998).
Essa leguminosa tem a habilidade de se associar com bactérias do solo do
grupo rizóbios e desencadear o processo de fixação biológica de
nitrogênio, suprindo parte da nutrição nitrogenada pela planta. Entretanto,
para alcançar uma fixação efetiva do nitrogênio no sistema rizóbioleguminosa, é necessário selecionar estirpes adaptáveis às áreas de cultivo.
Raízes de feijão-caupi inoculado, Município
de Zé Doca-MA
Plantio Direto de Feijão Caupi Inoculado,
Santa Luzia do Paruá-MA
O custo do inoculante representa cerca de R$ 8,00, suficiente para uma
área de 1ha. Portanto, essa tecnologia representa um instrumento para
viabilizar sistemas de produção do feijão-caupi para a região PréAmazônia.
Atividade da nitrato redutase de nódulos de plantas colhidas aumentou
significativamente no prazo de 24 horas e foi inversamente associado
com redução de acetileno. A diferença de nitrato redutase entre nódulos
de plantas colhidas e plantas controle tornou-se menos evidente à
medida que rebrota filmagem ocorreu e como redução de acetileno
aumentou nas plantas colhidas.
A atividade de protease aumentou nos nódulos de plantas colhidas,
alcançou o máximo em 7 dias após a colheita, e, em seguida, recusou-se a
um nível quase igual ao controle por 22 dias após a colheita. Proteína
solúvel e leghemoglobina diminuiu nos nódulos de plantas coletadas em
uma relação inversa com a atividade da protease.
7D
7B
7C
7A
FIG. 7. Nodule deterioration and regrowth after harvest. (A): nodule 4 days after harvest. Note the loss of
bacteroids from the disorganized cells at the base of the nodules. (B): nodule 7 days after harvest. The loss
of bacteroids has progressed halfway up the nodule. (C): nodule 10 days after harvest. Only a few
bacteroid-containing cells remain adjacent to the meristematic region. (D): nodule 26 days after harvest.
The disorganized cells have not regenerated, however, the number of bacteroid-containing cells has
increased with the renewed growth of the nodule. All nodules are x 50 magnification. B: bacteroidcontaining cells; D: disorganized cells; M: meristem.
FIG. 8. Nodules collected from control plants (A): nodule from control alfalfa
on the same day as Figure 9B (7 days). Bacteroid-ontaining cells are found
throughout the nodule cortex. (B): nodule from control alfalfa on the same
day as Figure 9D (26 days). Some cells at the base of the nodule have started
to become senescent and disorganized. All nodules are x 50 magnification. B:
bacteroid-containing cells; D: disorganized cells; M: meristem.
OBRIGADO