Supuestas las necesidades de agua cubiertas, el nitrógeno es el factor limitante más importante para el desarrollo de las plantas quelo necesitan para formar proteínas, ácidos nucléicos, etc. Dentro de los ciclos biogeoquímicos de los elementos minerales, el del nitrógeno (Fig. 1) es especialmente complicado por encontrarse, en condiciones naturales, en distintos estados de valencia (de +5 a -3) formando compuestos estables. Uno de estos compuestos, el nitrato, la forma más usual tomada por la planta, es clave en su nutrición y puede hallarse en el suelo derivado del contenido mineral del mismo, de aquel que se pueda incorporar de la atmósfera o de la biotransformación de las moleculas orgánicas que lo contienen formando parte de los restos vegetales y animales que allí llegan o de los propios microorganismos que lo habitan. La desnitrificación, o reducción del nitrato hasta nitrógeno molecular o dinitrógeno, N2, es una actividad microbiana importante, cuantitativamente considerada y por su efecto contaminante del ambiente. Las pérdidas de nitrógeno asimilable que esta actividad conlleva son compensadas por la llamada fijación de nitrógeno, que se entiende como la oxidación o reducción de este elemento para dar óxidos o amonio. Todos los procesos del ciclo actúan de forma que en condiciones normales las diferentes actividades microbianas estan equilibradas y las pérdidas son compensadas por las ganancias. La masiva utilización de fertilizantes nitrogenados está actuando sobre el ciclo con claros resultados negativos, entre ellos contribuyendo al cambio climático (Nitrógeno y cambio climático). . ya que puede evitar el uso abusivo de fertilizantes nitrogenados con el consiguiente ahorro en el consumo de energía y la disminución de la degradación del medio. según la ecuación: N2 + 16ATP + 8e. si cabe. Este proceso microbiano es llevado a cabo por organismos procarióticos en vida libre o en simbiosis. A pesar de la abundancia de N2 en la atmósfera (más del 70 por ciento). Hoy día la FBN cobra más valor. esto último si ocurre en asociación mutualista con las plantas. del 1 % de la energía consumida a nivel mundial. la FBN presenta un gran interés que ha determinado que sea considerada objeto de intensa investigación desde que en 1888 fue descubierta. proceso llevado a cabo por organismos procarióticos. El triple enlace que une los dos átomos de nitrógeno es duro de romper. El trabajo es llevado a cabo por la enzima nitrogenasa con el consumo de 16 moléculas de ATP por N2 reducido. Por lo que supone en el aporte de nitrógeno a las plantas.+ 8H+ = 2NH3 + 8H2 + 16ADP + 16Pi . No en vano la fijación biológica contribuye globalmente de forma importante al suministro del nitrógeno requerido por las plantas. no es aprovechable por las plantas que se ven obligadas a utilizar las formas combinadas que se encuentran en el suelo en cantidad insuficiente para soportar los cultivos intensivos. descargas eléctricas. Por la primera se forman óxidos como consecuencia de la combustión de compuestos orgánicos. o amonio por el proceso industrial Haber Bosch. etc. que son arrastrados al suelo por la lluvia. también es interesante señalar la importancia de la FBN en el mar por la necesidad de nitrógeno asimilable disponible que requieren los océanos para actuar como sumideros del CO2 de la atmósfera. el N2 es reducido a amonio e incorporado a la biosfera. Se trata de un proceso altamente consumidor de energía. Hay una gran representación de especies microbianas portadoras de esta característica pertenecientes a muy diferentes grupos de bacterias como se puede ver en la Tabla 1.La fijación de nitrógeno puede ser puramente abiótica o biológica. la fijación biológica de nitrógeno (FBN). aunque empíricamente era aprovechada ya por los romanos cuando observaron el efecto beneficioso de la rotación de los cultivos (Bosquejo histórico). Desde este punto de vista ecológico. Por la segunda. El resto necesario procede casi en su totalidad del amonio sintertizado vía Haber Bosch con un gasto. dentro del contexto de la agricultura sostenible. para conseguir el H2 y la alta temperatura y presión requeridas. lasleguminosas de gran importancia económica y social. está limitada a unas pocas especies vegetales. la aplicación a las investigaciones en curso de las herramientas propias de la biología molecular. Esta última técnica es muy usada en los experimentos que se realizan para conocer el nitrógeno de la planta que procede de la atmósfera o del suelo y/o fertilizante aplicado. a unos cientos de kilos. 2). del que quedan fuera cultivos tan importantes como arroz. requieren hasta 100 unidades de equivalentes de glucosa por unidad de nitrógeno fijado. la fijación libre por sí sola representa a nivel global algo menos de la mitad del total de N2 fijado por año (Fig. La determinación de ARA permitió hacer medidas de la actividad enzimática fidedignas con un simple cromatógrafo de gases. Así de hecho. entre ellas. guisante o soja. trébol.Azotobacter proporciona al suelo unos cientos de gramos de nitrógeno por hectárea/año y. donde la relación disminuye de 6 a 12 unidades de glucosa consumidas por unidad de nitrógeno reduido. puedan llegar a utilizar el N2 y hacerse independientes de su aplicación como fertilizante. aunque sea más alta. fundamentales en alimentación humana. además. . especialmente en ensayos de campo. Junto al interés que esta posibilidad tiene y que ha determinado la dedicación de numerosos grupos a su estudio. este valor sube en la asociación de Rhizobium con alfalfa. En este caso. dos hechos han determinado el avance de los conocimientos sobre la FBN desde los años 70. por otro. ya que la simbiótica. Tal limitación es un handicap a la hora del aprovechamiento integral de este proceso biológico. Por ello su significación agrícola es baja. maíz o trigo. basada en la capacidad de la nitrogenasa de reducir compuestos de triple enlace (algo sobre evolución) y. Por un lado.Algunos fijadores libres. en cambio. la introducción para su detección y medida de la técnica de la reducción de acetileno a etileno (ARA). como la establecida entre Rhizobium y las leguminosa. la fuente de energía son los compuestos carbonados suministrados directamente por la planta derivados de la fotosíntesis. eliminando la nunca precisa observación del crecimiento bacteriano en medios de cultivo libres de nitrógeno o la poco asequible espectrometría de masas para determinar la incorporación de 15N2. que se incrementa considerablemente en el caso de la fijación simbiótica. mientras que los fijadores libres han de tomarlos del suelo donde no existen en la cantidad y forma necesarias. A pesar de estas diferencias. Esta es también la causa de que se busque la forma de que estas especies vegetales. como Azotobacter. no sólo por la eficiencia del proceso y por los niveles de nitrógeno que incorporan. por no formarse en la asociación microbio-planta estructuras especializadas en las raíces. por otra parte. sino también. demostraron la implicación directa en la fijación de unos veinte genes. como Rhizobium .3 Aunque todos los organismo sy sistemas fijadores son susceptibl es de ser aprovecha dos en agricultur a. Los sistemas potencialmente más útiles. enterobacteria capaz de fijar N2 en anaerobiosis. por el interés de los cultivos susceptibles de ser tratados. En la Fig. hay algunos más útiles que otros. ya que el establecimiento de la simbiosis mutualista con la planta conlleva una complicación adicional. un hospedador con el que la bacteria establece la asociación beneficiosa. en el caso de los fijadores libres (Figura 3 y regulación)y de bastantes más en los simbióticos. como se ha dicho arriba. Las asequibilidad de esta bacteria y la especial distribución de esos genes en su genoma ha facilitado considerablemente el estudio molecular del proceso y la transferencia de los conocimientos a otros sistemas fijadores. de una forma más o menos íntima. 3 se muestran los genes nif de Klebsiella pneumoniae. Entre ellos. y de hecho se puede encontrar en la bibliografí a referencia s al respecto. un primer sistema recoge lo que se llaman rizocenosis asociativas. Entre estas asociaciones se encuentra la formada . nif.Los estudios genéticos. implican. Fig. Aunque las cianobacterias estan provistas de fotosíntesis oxigénica han desarrollado estrategias especiales dirigidas a la convivencia de la fijación. algunas células vegetativas se diferencian en ausencia de nitrógeno combinado en los llamados heteroquistes donde no hay fotosíntesis y sí fijación de nitrógeno (Figura 4b y 4c). pueden jugar un papel importante en la fertilización de los cultivos de arroz. con Rhizobium o solas comoPGPRs (rizobacterias que promueven el crecimiento vegetal). Aunque estas asociaciones han dado mucho que hablar. aunque estas bacterias no se puedan usar en la práctica como fijadoras. En unos casos. los llamados bacteroides. hay estudios que demuestran su utilidad en inoculaciones conjuntas. Herbaspirillum oAzospirillum. . Azoarcus. proceso anaerobio. no se multiplican por lo que todo el nitrógeno fijado es traspasado al hospedador). la fijación y la fotosíntesis estan separadas temporalmente. como Azolla (Figura 4a). la posibilidad de explorar un volumen más amplio de suelo. el N2 que fijan estas otras bacterias no es exportado y solamente puede ser aprovechado después de su muerte y lisis y una vez que haya sido mineralizado. con la fotosíntesis. Aquí la bacteria fija nitrógeno a expensas del exudado radical que aprovecha muy bien al colonizar los espacios intercelulares del cortex de la raíz. La práctica de la utilización de este sistema es frecuente especialmente en el Sudeste asiático. En un segundo sistema intervienen cianobacterias y algunas plantas entre las que ciertos helechos. por lo menos. como en Gleothece o Synechococcus. En otros casos. realizandose la fotosíntesis de día y la fijación en la noche. está demostrado que el efecto beneficioso de la asociación es debido mayoritariamente a la capacidad que posee la bacteria de producir fitohormonas que determinan un mayor desarrollo del sistema radical y. Pero. pues se ha asociado siempre la mayor producción vegetal a la fijación de N2.por plantas C4 del tipo maíz o caña de azucar y Gluconacetobacter. Así como Rhizobium está evolutivamente especializado en proporcionar nitrógeno a la planta cuando se encuentra asociado a ella (las formas bacterianas que fijan nitrógeno en los nódulos. en el caso de Azospirillum . por tanto. Los niveles de nitrógeno aportados a estos cultivos pueden hacer al arroz bastante independiente de la fertilización nitrogenada. Si bien estas bacterias. y es especialmente frecuente en las subfamilias Papilionoideae y Mimosoideae y escasa en Cesalpinoideae. es la que tiene más importancia desde el punto de vista agronómico. un actinomiceto. y algunas plantas leñosas. Ha sido y es la más estudiada y se toma como modelo para una posible extensión de la capacidad fijadora a otros cultivos. Adicionalmente.5 de la familia Leguminosae forma n esta asociación. como se ha indicado más arriba. y la asociación Rhizobium-leguminosa que. de la subclase a de las proteobacterias. se encuentran la conocida como actinorriza. se engloban colectivamente bajo el término genérico de Rhizobium. 4a Fig. el papel del uso de leguminosas arbustivas en la recuperación o regeneración de suelos degradados es de reseñar y donde las micorrizas tienen también una gran importancia.4b Fig. En las raíces de estas plantas aparecen cuando son . Bradyrhizobium. como el aliso o la casuarina.Fig. Sinorhizobium. que se establece entre Frankia. 4c Dentro de un tercer sistema. que encuadra las endorrizobiosis mutualistas. Allorhizobium. Mesorhizobium y Azorhizobium (Tabla 2). La mayoría de las especies Fig. pertenecen a los géneros Rhizobium . Estos factores. En unos pocos ejemplos (en las leguminosas Sesbania y Aechynomene) también se forman nódulos en los tallos. factores nod. determinan modificaciones en los pelos radicales. luteolina y la soja genisteina) que la bacteria reconoce y la lleva a sintetizar el factor nod correspondiente. que conducen a la formación del nódulo en cuyo interior. se va a llevar a cabo la fijación . perfectamente estructurado. e. que se conocen también por su composición como lipoquitooligosacáridos (LCOs). En lineas generales. Algunas de las bacterias son bastantes específicas con posibilidad de infectar y nodular un reducido número de especies vegetales.infectadas por Rhizobium unas tumoraciones de distinta forma y tamaño. cada leguminosa libera al medio unos determinados inductores (p. donde se lleva a cabo la fijación de N2. que está constituido por un esqueleto de 4 a 5 N-acetil glucosaminas con bastantes sustituciones que determinan la especificidad. la capacidad de infectar las células del cortex de la raíz se deriva de un intercambio de señales entre el microsimbionte y el hospedador. simplemente. Otras son más promiscuas. nódulos (Figura 5). En cualquier caso. la alfalfa. Flavonoides exudados por las plantas inducen la expresión en Rhizobium de los genes nod (Figura 6) implicados en la síntesis de los conocidos como factores de nodulación o. la formación del canal de infección y la división de células del cortex.