cap 8 fbn

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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.