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UNIVERSIDADE FEDERAL DE RORAIMA CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS DEPARTAMENTO DE SOLOS E ENGENHARIA AGRÍCOLA NUTRIÇÃO DE PLANTAS – AGR 061 Cap 8 – Aquisição de Nitrogênio Pelas Plantas – A FBN Prof. Dr. Armando José da Silva Bioquímica e Fisiologia da Fixação de Nitrogênio Introdução • Fixação Industrial – Processo Haber-Bosch – Alta pressão e temperatura. • Fixação Biológica – Complexo Nitrogenase - ATP Bioquímica e Fisiologia da Fixação de Nitrogênio Como o N2 é Reduzido N2 + 8e - + 16 ATP + 10H+ 2NH3 + H2 + 16 ADP + 16Pi Mg2+ Os Sistemas Fixadores Três grandes grupos: 1. Sistemas Livres 2. Sistemas Simbióticos 3. Associações Menos Íntimas Os sistemas fixadores 1. Os sistemas livres (bactérias de vida livre) Condições tropicais e subtropicais – gênero Beijerinckia. Na rizosfera de gramíneas - Abundância de colônias de fixadores livres como Azotobacter e Beijerinckia – 10 e 50 kg/ha/ano. Algas azuis verdes (cianobactérias). Algumas espécies importantes em ecossistemas tropicais: Azotobacter beijerinckii, A. vinelandii, Beijerinckia fluminensis, B. mobilis, Acetobacter diazotrophicus, Glucanocetobacter diazotrophicus, Pseudomonas diazotrophica, Klebsiella planticola, Azospirillum brasilense, Azospirillum amazonense, Bacillus azotofixans. Os sistemas fixadores Os sistemas livres (bactérias de vida livre) Os sistemas fixadores Os sistemas livres (bactérias de vida livre) Os sistemas fixadores Os sistemas livres (bactérias de vida livre) Figura – Microfotograia de Glucanocetobacter diazotroicus. Organismo ou sistema N2 fixado (kg/ha/ano) Microrganismos de vida livre Cianobactérias Azotobacter Gluconocetobacter diazotrophicus 25 0,3 5 – 25 Associação cianobactéria/planta Gunnera Azolla 12 – 21 313 Liqüens 39 – 84 Leguminosas Soja Feijão caupi Alfafa 57 – 94 84 104 – 600 Não leguminosas Alnus 40 – 300 Tabela – Taxas médias estimadas de fixação biológica do N2 por organismos e associações Os sistemas fixadores Os sistemas livres (bactérias de vida livre) - Fatores: Presença de N combinado (nitrato e amônio) – menor fixação. Condições de acidez (pH menor que 5 – Beijerinckia pH mais elevado (6 a 7) - Azotobacter. Nutrientes essenciais – importantes para os fixadores de vida livre (destaque para Ca, Mo, Fe e Co) Altas intensidades luminosas – favorecem as plantas superiores e consequentemente as bactérias de vida livre que vivem perto de suas raízes. Os sistemas fixadores 2. Os sistemas simbióticos: O de maior interesse agrícola é aquele que envolve a simbiose entre bactérias dos gêneros Rhizobium e Bradyrhizobium com plantas da família Leguminosae. Os sistemas fixadores - Os sistemas simbióticos: • A Simbiose Mutualística • É uma relação duradoura que envolve o desenvolvimento de uma estrutura no hospedeiro (Exemplo: Phaseolus vulgaris) para alojar o parceiro microbiano (Exemplo: Rhizobium leguminosarum) Os sistemas fixadores - Os sistemas simbióticos: • Assim, a simbiose mutualística • É uma relação duradoura que envolve o desenvolvimento de uma estrutura no hospedeiro (Exemplo: Phaseolus vulgaris) para alojar o parceiro microbiano (Exemplo: Rhizobium leguminosarum) • A Fixação Simbiótica do N2 requer: • Um organismo procariótico fixador de N2 (Rhizobium, Klebsiella, Nostoc, Frankia, etc.) e • Um hospedeiro fotossintético eucariótico (plantas leguminosas ou não, diatomáceas, fungos, pteridófitas – Azolla, etc.) Os sistemas fixadores - Os sistemas simbióticos: • A simbiose consiste numa troca de favores • A hospedeira fornece carboidratos para os bacteróides. • Os bacteróides fixam o N2 e fornecem o produto da fixação (NH3) que será transformado em aminoácidos e amidas para serem transportados via xilema para a parte aérea da planta. • Na maioria das leguminosas, a asparagina e a glutamina constituem 80 a 90% do N recém fixado. • A soja acumula preferencialmente asparagina. ESTABELECIMENTO DO PROCESSO SIMBIÓTICO Os sistemas fixadores - Os sistemas simbióticos: ESTABELECIMENTO DO PROCESSO SIMBIÓTICO Os sistemas fixadores - Os sistemas simbióticos: ESTABELECIMENTO DO PROCESSO SIMBIÓTICO Os sistemas fixadores - Os sistemas simbióticos: FIGURA - Início do processo de infecção ESTABELECIMENTO DO PROCESSO SIMBIÓTICO Os sistemas fixadores - Os sistemas simbióticos: FIGURA - Formação do cordão de infecção ESTABELECIMENTO DO PROCESSO SIMBIÓTICO Os sistemas fixadores - Os sistemas simbióticos: FIGURA - Infecção de células especializadas do nódulo Os sistemas fixadores - Os sistemas simbióticos: FIGURA - nódulos em raízes de soja. Os nódulos se desenvolveram após a infecção do sistema radicular por Bradyrhizobium japonicum Os sistemas fixadores - Os sistemas simbióticos: LEGUMINOSA ALFAFA, Medicago sativa CAUPI, Vigna unguiculata AMENDOIM, Arachis hypogaea SOJA, Glycine max FORRAGEIRAS, Desmodium sp. LENTILHA, Lens sp FAVA, Vicia faba N2 FIXADO (kg ha -1 ano -1 ) 100-300 100-150 50 60-80 100-140 100 240-325 TABELA 2. N FIXADO POR ASSOCIAÇÕES SIMBIÓTICAS Rhizobium/Leguminosas Os sistemas fixadores - Os sistemas simbióticos: Os benefícios da fixação Figura – Efeito da inoculação de bactérias fixadoras de N2 atmoférico na cultura da soja. Sistemas simbióticos com cianobactérias (algas azuis verdes) A Simbiose Anabaena (Nostoc) x Azolla • Grande importância agrícola em várias regiões do planeta. • O microsimbiote está localizado na cavidade foliar do vegetal. • A troca de N2 fixado por fotossintatos é realizada através de pêlos de transferência. • Espécies de Azolla que fazem simbiose com a cianobactéria: • A. filiculoides, A. caroliniana, A. microphylla, A. mexicana, A. pinata e A. nilotica (Tabela). Sistemas simbióticos com cianobactérias (algas azuis verdes) Simbiote Cianobactéria Localização N2 fixado (kg/ha/ano Fungos (Geosiphon) Calothrix, Nostoc, Seyktonema Talo (intercelular) 1 – 10 Briófitas(Phaeoceros, Anthoceros, Blasia Caviculata) Nostoc Intercelular 1 – 10 Pteridófita (Azolla) Anabaena (Nostoc?) Cavidade nas folhas (intercelular 10 – 100 Gimnospermas (Macrozamia, Cicadaceae) Nostoc Raízes diferenciadas (inter e intracelular) 20 Angiospermas (Gunnera) Nostoc Glândulas axilares (intracelular) 10 - 70 Quadro – Simbioses das cianobactérias e quantidade de N2 fixada Sistemas simbióticos com cianobactérias (algas azuis verdes) A Simbiose Anabaena (Nostoc) x Azolla Espécie Condição MS Teor de N Idade N2 Fixado Kg/ha Dias Kg/ha/dia A. Filiculoides Arroz inundado (vaso) 5,2 128 50 2,5 A. Mexicana Arroz inundado (campo) 1,1 40 40 1,0 A. Pinnata Filotron 2,2 100 37 2,6 A. Caroliniana Casa-de-vegetação 3,2 146 41 3,6 Quadro – Nitrogênio e produção de biomassa por 4 espécies de Azolla Sistemas simbióticos com cianobactérias (algas azuis verdes) A Simbiose Anabaena (Nostoc) x Azolla Quadro – Efeito de Azolla inoculada com Anabaena na produção de arroz Tratamento Produção de grãos 1979 1980 Mg/ha Sem N 2,6 3,2 30 kg N/ha (uréia) 3,2 3,8 60 kg N/ha (uréia) 3,7 4,2 Azollaantes do plantio 3,2 4,0 Azolla depois do plantio 3,1 3,9 Azolla depois do plantio não incorporada 3,1 4,0 30 kg N + Azolla antes do plantio 3,7 4,4 30 kg N + Azolla depois do transplantio 3,5 4,4 Azolla antes e depois do transplantio 3,6 4,2 Sistemas simbióticos com cianobactérias (algas azuis verdes) A Simbiose Anabaena (Nostoc) x Azolla Figura – Cianobactéria filamentosa com heterocistos, do gênero Anabaena. Cada célula simples mede aproximadamente 5 µm. Condições para a ocorrência da fixação • Nitrogenase Ativa • Suprimento de Energia • Geração de Redutores Bioquímica de fixação do N2 atmosférico A Enzima Nitrogenase • Dois componentes protéicos • Componente 1 – Proteína tetramérica com peso molecular de 200.000 a 300.000 daltons; possui dois átomos de Mo e 33 átomos de Fe (Mofe- proteína ou dinitrogenase); • Componente 2 – Proteína dímera com peso molecular de 57.000 a 72.000 daltons; contém dois átomos de ferro (Fe-proteína ou nitrogenase redutase). Bioquímica de fixação do N2 atmosférico Figura – Reações em um nódulo de soja durante a fixação do N2 Bioquímica de fixação do N2 atmosférico O Funcionamento da Nitrogenase Figura – O modo de ação da nitrogenase. Bioquímica de fixação do N2 atmosférico A Necessidade de Excluir o Oxigênio • O oxigênio pode destruir irreversivelmente a enzima • Os microrganismos aeróbios têm que adotar estratégias para excluir o oxigênio do sistema nitrogenase. Bioquímica de fixação do N2 atmosférico Nos sistemas simbióticos - produção de Leg-Hemoglobina • Leg-hemoglobina – proteina portadora de ferro presente nos sistemas simbióticos entre leguminosas e rizóbios • A leg-hemoglobina é uma proteína que se liga ao O2, de cor vermelha, contendo ferro, encontrada unicamente em nódulos saudáveis que fixam N2. • Funciona como um “tampão” de oxigênio no interior dos nódulos. • A relação entre o O2 ligado à leg-hemoglobina e o O2 livre nos nódulos é de 10.000/1. Bioquímica de fixação do N2 atmosférico Figura – Diagrama esquemático das principais reações metabólicas que ocorrem no bacteróide. Observe a ação da leg-hemoglobina no tamponamento do oxigênio no sistema. Bioquímica de fixação do N2 atmosférico Custo Energético da Fixação do Nitrogênio • Uma molécula de N2 – 8 elétrons; • Para cada elétron transferido para a nitrogenase – duas moléculas de ATP • Assim: N2 + 8 H + + 8e- + 16 ATP 2 NH3 + 16 ADP + 16 Pi + H2 Custo Energético da Fixação do Nitrogênio Fixação Simbiótica • Menores gastos de energia do que na fixação assimbiótica; • Microrganismos diazotróficos simbióticos – consomem entre 1 e 8 gramas de carbono para cada grama de nitrogênio fixado; • Na simbiose rizóbio-leguminosa – 13 a 28% dos produtos da fotossíntese são destinados à manutenção e funcionamento dos nódulos. O destino do nitrogênio fixado Figura – Principais caminhos metabólicos associados com a fixação do N2 nos nódulos das leguminosas. O destino do nitrogênio fixado Os fatores que afetam a FSN Fatores internos: Nível de carboidrato do hospedeiro; Sistema do fitocromo (pigmento que governa muitas resposta da planta – florescimento, germinação, etc.); Características da planta Fatores Externos pH do solo; Teores de nutrientes – N, Ca, P, Fe, Mo e Co. Os sistemas fixadores 3. Associações menos íntimas Bactérias nas superfícies de árvores de florestas tropicais úmidas e florestas temperadas Organismos diazotróficos na superfície das raízes de gramíneas (rizosfera) Mucilagem das raízes de cana-de-açúcar – células de Azotobacter e Clostridium. Capazes de fixar 10 kg de N/ha/ano.
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