Un breve repaso a la historia, la taxonomía y el proceso de nodulación en Rhizobacterias.

En este blog ya hemos hablado sobre PGPRs, también sobre formas de buscarlos, e incluso hemos tratado de verlos en vídeo.

Nódulos de soja cargaditos de Rhizobios. JJ Gallego Departamento de Microbiología, Universidad de Sevilla.

Sin embargo apenas si hemos hablado de Rhizobium... Las Rhizobios son seguramente el grupo de bacterias, con interés agrónomo positivo, más famosas y estudiadas de la historia. Es importante aclarar que la mayoría de ellas son PGPRs, pues fomenta el crecimiento de las plantas, mediante la fijación de nitrógeno atmosférico aportando una fuente de proteínas.  Sin embargo no todas las PGPRs son rhizobios, ya que no todas tienen una relación tan estrecha y personal con la planta.

Un poco de historia.

La cosa empieza en 1888 donde un genio llamado Beijerinck obtuvo por primera vez un cultivo bacteriano puro de un nódulo de raíz de leguminosa. La bacteria obtenida recibió  el nombre de Bacillus radicicola. Este nombre sería posteriormente cambiado por Frank a "Rhizobium"

Es importante añadir que  Beijerinck fue el primero en usar cultivos enriquecidos, también descubrió la reducción de azufre anaeróbica, y es considerado _un_ padre de la virología.  Pero nos interesa su papel con la fijación de nitrógeno y Rhizobium.

El señor Beijerinck, enfado por no llegar a portada

Para 1929 ya se hablaba de seis especies:  R. leguminosarum, R. trifolii, R.phaseoli, R. meliloti, R. japonicum y R. Lupini La razón para esta clasificación era que se obtenían distintos aislados bacterianos dependiendo de la planta huésped. Siempre se hablaba de especificidad entre bacteria y planta... 

Pero en 1944 Wilson reportó un gran número de nodulaciones que cruzaban las fronteras de las diferentes especies, lo que llevó a, el gran e incomprendido, Graham en 1964 sugerir entre otras cosas, la modificación en la forma de clasificar a estas bacterias, pero al ser en aquellos días un chico joven no se le escuchó demasiado. Dos años después Moffett y Colwell comenzaron a publicar basándose en los resultados de la taxonomía numérica que empezó a cambiar el paradigma "una bacteria-una planta".

Con el tiempo los datos eran ya demasiado aplastantes para mantener la existencia de especies separadas en función de las plantas que nodulaban. Así que durante el año 1974 gracias a Jordan y Allen se llevó a cabo la idea que Graham había sugerido años antes, y se dividió a las seis especies en 2 géneros: Bradyrhizobium y Rhizobium .

Un poco de taxonomía.

Bradyrhizobium incluye las cepas de crecimiento lento, que tienen colonias menores de 1 mm, tras 7 días de crecimiento en placas de YMA. Al género se le asoció una sola especie, B. japonicum. Además R. lupini se incluyó también dentro de ella tras pruebas de hibridación ADN-ADN.

En el género Rhizobium se enmarcaron tres especies. R. leguminosarum, R. meliloti y R. loti. R. leguminosarum incluye tres biovars: bv. viciae que antes era la especie R. leguminosarum; bv. Phaseoli que anteriormente era R. phaseoli; y bv. trifolii que fue la anterior R. trifolii. Las tres biovars constituyen el mismo grupo en taxonomía numérica y en hibridación ADN-ADN, pero corresponden a diferentes grupos de nodulación cruzada. Actualmente la taxonomía de los rizobios se desarrolla rápidamente y durante los últimos 20 años se han descrito muchas especies y géneros nuevos. La aplicación de los métodos de biología molecular en la taxonomía ha ayudado a definir muchos nuevos rizobios. Sin embargo aún hoy día se trata de clasificar siguiendo la tendencia "una bacteria-una planta", pero la facilidad con la que las distintas cepas intercambian sus plásmidos simbióticos dificulta esto.

Hasta la fecha, se han escrito más de 40 especies en 9 géneros para las bacterias que forman nódulos con leguminosas. Todas ellas son bacilos aeróbicos Gram-negativos incluidos en el phylum BXII, Proteobacteria. 

A continuación os pongo una selección de alguno de los géneros y especies, pero hay muchas más, aquí podéis leer sobre ellos en español. He usado la clasificación que Graham recomendó, la que separa por velocidad de crecimiento "brady-meso-rhizo" como lentas-medias-rápidas. Y luego he añadido algunos grupos más.

Bradyrhizobium:

• B. japonicum. Nodula soja
• B. elkanii. Nodula soja
• B. liaoningense. Nodula soja

Mesorhizobium.

• M. loti. Nodula el  Lotus japonicus
• M. huakuii. Nodula a Astragulus.
• M. ciceri. Nodula Cicer arietium
• M. mediterraneum. Nodula Cicer arietum
• M. tianshanense.  Amplio rango de nodulación

Rhizobium.

• R. leguminosarum Nodula Phaseolus
• R. elti Nodula Phaseolus
• R. tropici Nodula Phaseolus
• R. galegae Nodula Phaseolus
• R. giardini Nodula Phaseolus
• R. mongolense
• R. gallicum Nodula Phaseolus
• R. xinjangensie Nodula soja 
• R. sp estirpe NGR234  (Rhizobium con más rango conocido de nodulación en leguminosas y parasponia)

Phyllobacterium.

Fijan nitrógeno formando nódulos en las hojas de dos familias tropicales no leguminosas. Mirshinaceae y Rubiaceae

• P. myrsinacearum.
• P. rubiacearum.

Azorhizobium caulinodans nodula tallos de Sesbania  entrado por grietas. Además es capaz de fijar nitrógeno en vida libre.

Sinorhizobium.

Son importantes ya que son capaces de crecer a gran velocidad en fermentadores lo que supone un importante efecto para su comercialización. 

• S. meliloti: Nodula a Melilotis, Medicago y Trigonella
• S. fredii: Nodula a soja
• S. medicae Nodula alfalfa
• S. saheli Nodula sesbania
• S. taranga Nodula sesbania

Como curiosidad añadir que a las Sinorhizobacterias habría que llamarlas "Ensifer", sin embargo los investigadores como buenos anarquistas se han negado tradicionalmente a ello.

El proceso de nodulación.

Ya hemos hablado de la historia y de como clasificar a estas bacterias pero, ¿cómo se produce esta unión planta-bacteria? ¿Cómo sucede el proceso de nondulación?  Podemos ver rápidamente resumido en el siguiente vídeo:

Para tratarlo con más detalles, y siguiendo las enseñanzas del profesor que me lo explicó, lo dividiré por etapas.

Primera etapa: Reconocimiento.

Anatomía de un nódulo

Nos encontramos en la rizosfera, donde la concentración de microorganismos es muy superior a la que se puede encontrar en otras zonas del suelo. La razón de esta mayor concentración son los exudados producidos por la raíz, estos son una fuente de nutrientes para las bacterias en especial los flavonoides, los cuales por quimiotaxis atraen a los rhizobios.
Existen dos moléculas fundamentales en esta etapa las lectinas y la ricadhesinas. Las lectinas son producidas por la planta y tienen la capacidad de unirse a hidratos de carbono, pudiendo llegar las de carácter bivalentes a generar redes al agregar varias moléculas. Tienen varias funciones entre ellas la de almacenar nutrientes, por eso las semillas son ricas en lectinas. Como curiosidad hay que decir que consumir semillas sin cocinar puede llegar a producir anemia al aglutinar estas a los hematíes.
Los receptores para lectinas en la membrana bacteriana son de carácter transitorio, requieren de la presencia de flavonoides para comenzar a expresarse. Según los trabajos de Frank Dazzo en lectinas de tréboles, la unión de la bacteria al pelo radical está mediada por las lectinas ya que tanto la superficie de la raíz como la bacteria tienen antígenos de reacción cruzada.
Las lectinas y las ricadhesinas actúan pues como mediadores de reconocimiento. La diferencia parece estar en el pH del rizoplano, si las condiciones son de acidez la ricadhersinas se suelta de la bacteria y parece ser que son las lectinas las que actúan, en caso de de pH alto son las lectinas las que se sueltan de la raíz ocurriendo lo contrario.


Segunda etapa: Curvatura del pelo radical.
Cuando tenemos a la bacteria unida al pelo radical, este se va curvando. La culpa de esta curvatura es el desplazamiento del núcleo a una zona más basal, al ir bajando este tira por medio de la actina F y de los microtúbulos del ápice deformando el pelo. Además se produce una inhibición lateral en la zona que está pegada la bacteria lo que hace que esta quede atrapada en el giro de la curvatura. Gracias al giro se forma un "bolsillo de infección" donde las señales emitidas por bacteria y planta se concentran amplificando su potencia.

Nódulos.
The EMBO Journal (2007) 26,
3923–3935,
 doi:10.1038/sj.emboj.7601826

Tercera etapa: Penetración.

Aún no está muy claro como ocurre la penetración de la pared vegetal, se piensa que podría ser por ataque enzimático. La poligalacturonasa es un enzima de la planta que degrada pared vegetal, se sabe que al llegar rizhobium se incrementa la presencia de dicha enzima, pero en el ME las fracturas aparecen como cortes limpios, fracturas totales, algo que no se esperaría de ataques enzimáticos.

En cualquier caso al romperse, se da una invaginación de la membrana vegetal que nunca llega a romperse, pero va estirándose hacía el interior de la raíz llevando dentro a los rhizobios y formando el cordón o tubo de infección. Las células que entran en contacto con este cordón, activan su actividad mitótica. comenzando a diferenciar la forma del nódulo que puede ser: indeterminado  (cilíndrico), en el cual las células que se dividen son células de capas profundas. O determinado (esférico), que vienen de células del cortex.

Cuarta etapa: Liberación.

En el cordón de infección empieza a darse una diferencia entre el crecimiento de la pared y de membrana, ya que la pared no puede seguir la elongación de la membrana, y poco a poco va quedando más cantidad de membrana desnuda, hasta que las bacterias queda en una zona donde no hay pared. La membrana citoplasmática comienza a cerrarse sobre si misma y se suelta finalmente, así rhizobium queda dentro de la célula cubierto por membrana de la planta que se irá diferenciando como membrana peribacteroide.

Las células que van internando paquetes de bacterias dejan de dividirse, contrariamente a las que han tenido contacto únicamente con el cordón de infección que se dividen rápidamente. Dentro las bacterias no paran de dividirse hasta ocupar prácticamente todo el espacio dentro de la célula vegetal. En muchos casos las células infectadas llegan a ser poliploides (hasta 16 núcleos) pero nunca llegan a dividir su citoplasma. 

Este proceso de divisiones no es eterno, llegado un punto tanto los núcleos de la célula vegetal como las bacterias dentro de los orgánulos rodeados de peribacteroide cesan sus divisiones. En ese momento las bacterias empiezan a transformarse en bacteroides su forma simbiótica. Es en esta forma en la que fijan nitrógeno atmosférico.

Cuando Rhizobium se convierte en bacteroide llega a incrementar su volumen hasta 40 veces, pierde la capacidad de división y otras muchas estructuras. La planta alimenta al bacteroide con ácido dicarboxílico como si estuviese engordando ganado. Por si fuese poco la planta también hace circular por el nódulo leghemoglobina, una globina que permite que los bacteroides respiren, pero reduce el oxígeno libre presente, que podría inutilizar la maquinaria de fijación de nitrógeno (muy sensible al oxígeno).

Nódulo de soja partido por la mitad

JJ Gallego Departamento de Microbiología, Universidad de Sevilla.

La ventaja para los rhizobios no está clara. Mientras que la planta obtiene una fuente de proteínas, ellos una vez convertidos en bacteroides, tienen muchísima dificultad para volver a formar colonias, en muchos casos no hay vuelta atrás. Podríamos pensar que el nódulo es una trampa para bacterias fijadoras, una jaula dorada... O quizás la ventaja esté en las bacterias que se quedaron en el tubo de infección, allí viven de forma saprófita, no fijan, no tienen depredadores ni competidores, y cuando la planta muere salen libres.

En cualquier caso aún hay muchas cosas por descubrir en este proceso de nodulación y en la relación tan íntima entre dos especies tan lejanas que tan importantes son para nuestra vida.  Pero de eso, de su importancia habrá que hablar otro día.

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