A fixação biológica do nitrogênio , ou diazotrofia , é o processo do ciclo do nitrogênio que permite a um organismo produzir (indiretamente) substâncias protéicas a partir do gás nitrogênio (N 2 ) presente na atmosfera e no meio ambiente .
A sigla BNF é às vezes usada por falantes de inglês para resumir a expressão "fixação biológica de N2" .
É o processo de redução enzimática de N 2 ( nitrogênio molecular ) em nitrogênio amoniacal, ou amônia (NH 3 ): esta forma de N combinado, denominado intermediário chave, representa o fim da reação de ligação e o início da incorporação de nitrogênio fixo no esqueleto de carbono. No sistema biológico de fixação de N 2 , as condições ideais para a catálise biológica correspondem a uma pressão de 0,2 a 1,0 atm de N 2 e uma temperatura de 30−35 ° C , enquanto as condições para a catálise química são severas: pressão 250-1000 atm de N 2 e a temperatura de 450 ° C .
Esse processo é comparável ao da fotossíntese, que produz substâncias carboidratos a partir do dióxido de carbono (CO 2 ) na atmosfera. Mas, embora a fotossíntese seja o trabalho de todas as plantas (exceto plantas saprofíticas ), a fixação do nitrogênio ambiente é realizada apenas por certas espécies de bactérias , como as cianofíceas . Porém, muitas plantas , principalmente da família Fabaceae ( leguminosas ), o fazem de forma indireta, em simbiose com bactérias de sua rizosfera , geralmente localizadas em nódulos localizados em suas raízes.
Até recentemente, acreditava-se que os fungos micorrízicos pudessem fixar o N 2 . Sabe-se agora que a propriedade de fixar N 2 é estritamente limitada a procariotos e nunca foi mostrada em fungos filamentosos. A fixação de N 2 medida pela redução do acetileno ( C 2 H 2 ) em etileno (C 2 H 4 ou CH 2 = CH 2 ) por uma raiz micorrízica não deve ser atribuída ao próprio fungo , mas às bactérias associadas à micorrizosfera . Além disso, esta atividade de ligação ao N 2 é ainda mais importante no lixo da floresta do que na própria micorrizosfera .
Esses organismos procarióticos (bactérias) produzem uma enzima , a nitrogenase , que permite a síntese de amônia por uma reação de redução fortemente endotérmica :
N 2 + 16 ATP + 8 e - + 8 H + → 2 NH 3 + H 2 ↑ + 16 ADP + 16 Piem condições de solo, ao contrário dos 450 ° C dos processos industriais que também requerem uma pressão média da ordem de 400 atmosferas. A amônia é então convertida em aminoácidos que podem ser usados pelas plantas.
A nitrogenase é na verdade um complexo enzimático formado por subunidades, cujo funcionamento é inibido in vitro pelo oxigênio. Já no processo de simbiose, seu funcionamento é possibilitado em zona de microaerobiose (nos nódulos radiculares) ou mesmo em condição aeróbia dentro das raízes de plantas não leguminosas (com o auxílio de microrganismos chamados “ endófitos ” segundo Santi & al., em 2013, que parece se beneficiar com as condições.
Além disso, os microrganismos diazotróficos (fixadores de nitrogênio), por sua vez, desenvolveram várias estratégias para a proteção de seu complexo nitrogenase.
Inibição da nitrogenase pelo O 2, seja direta ou indiretamente via radicais oxidantes, constitui um forte regulador do teor de oxigênio na atmosfera, no ciclo do oxigênio , pelo feedback negativo que possui na fixação do nitrogênio. Uma inibição na fixação de nitrogênio levaria a uma queda na produtividade primária, tanto diretamente para as cianobactérias diazotróficas quanto indiretamente para toda a produtividade primária da hidrosfera , induzindo a longo prazo, para o ciclo do carbono , uma redução na taxa de soterramento Carbono organico. Sem aterro não há criação líquida de O 2pela biosfera, e o excesso de oxigênio de espécies muito reativas, gradualmente desaparece pela oxidação da superfície do planeta .
Na Terra , existem bactérias livres que vivem no solo e fornecem fixação de nitrogênio, sozinhas ou em simbiose com outras bactérias. Estes são principalmente:
Outras bactérias vivem em simbiose com o sistema radicular das plantas:
Nos oceanos , são as cianobactérias que fixam o nitrogênio. Existem dois tipos:
As diferentes espécies de bactérias rizóbicas , que são capazes de infectar as raízes das leguminosas ( família Fabaceae ), são específicas de certas plantas hospedeiras. Assim, Rhizobium phaseoli infecta feijão ( Phaseolus sp).
As bactérias causam a formação de nódulos nas raízes, entrando pelos pelos da raiz, e se transformando em " bacteroides " maiores . Os nódulos são a sede de uma atividade simbiótica na qual a planta fornece os açúcares e a energia resultantes da fotossíntese e, em troca, se beneficia dos aminoácidos produzidos ali.
Essa atividade pode produzir até 300 kg de nitrogênio por hectare anualmente , que se encontra em parte nas lavouras exportadas (proteína de sementes e forragens) e em parte enterrada no solo, que pode ser aproveitado pelas seguintes culturas ( adubo verde ).
Globalmente, a massa de nitrogênio assim fixada é estimada em 100 milhões de toneladas por ano, que é a mesma ordem de magnitude que a produção de nitrogênio da indústria química.
A formação de nódulos radiculares envolve um diálogo molecular complexo entre a planta hospedeira e as rizobiáceas .
A planta secreta sinais como flavonóides , betaínas . A percepção desses sinais pela bactéria induz a expressão de numerosos genes bacterianos, dos quais são conhecidos cem. Os mais estudados são os genes nod (ou então nol e noe). Os genes Nod D expressam proteínas regulatórias em resposta a indutores de plantas. Uma vez ativadas, as proteínas Nod D se ligam a sequências nod-box, promotores de genes nod estruturais e ativam sua transcrição. Esses genes produzem fatores Nod essenciais no estabelecimento da simbiose .
Os fatores NOD ativam uma via de sinalização envolvendo uma série de genes da planta hospedeira e, em última instância, causam alterações morfológicas e citológicas na raiz, levando à formação de nódulos .
Muitos genes foram identificados em ervilhas ( Pisum sativum ) , trifólio ( Lotus japonica ) e trifólio de alfafa ( Medicago truncatula ) . São todos receptores SYMRK (receptor de simbiose como quinase), possuindo um domínio quinase no lado intracelular (RLK, Receptor como quinase) e motivos ricos em LysmM (interação com fatores NOD) no lado extracelular. Os genes são chamados de Nfr (receptor do fator Nod) ou Sym (genes de simbiose). Pode haver dois tipos de receptores, um controlo da infecção da raiz pela bactéria, o outro permitindo que a curvatura da raiz cabelos .
Algumas dezenas de segundos após a aplicação dos fatores Nod, observa-se um rápido influxo de cálcio que induz uma despolarização da membrana plasmática levando à curvatura e deformação dos fios absorventes .
Dez minutos depois, oscilações periódicas e transitórias da concentração de cálcio citosólico ocorrem perto da região perinuclear. Essas oscilações de cálcio (pico de cálcio) são devidas a duas proteínas de membrana DMI1 e DMI2. Este último é um receptor do tipo RKL (receptor como quinase) apresentando três domínios ricos em Leucina (LRR).
A resposta a essas oscilações deve-se ao gene DMI3 que codifica uma calmodulina e uma proteína quinase dependente de cálcio. Essa proteína detecta mudanças na concentração de cálcio por meio da ligação às calmodulinas ligadas ao cálcio e ao cálcio livre. DMI3 é ativado por autofosforilação de seu domínio quinase. Além disso, o DMI3 exerce feedback negativo sobre o DMI1 e o DMI2 e, portanto, sobre as oscilações de cálcio.
O DMI3 ativa a expressão dos genes ENOD (genes iniciais da nodulina), proteínas produzidas pela planta durante os primeiros estágios da simbiose (como a leghemoglobina) envolvidas na infecção e na organogênese dos nódulos ativando a divisão das células corticais . No entanto, os substratos intermediários de DMI3 ainda não estão bem determinados.
Parece que as rhizobiaceae recrutaram a via de sinalização micorrízica e que a organogênese do nódulo é derivada do programa genético da organogênese da raiz secundária. As endossimbioses fixadoras de nitrogênio teriam surgido 65 milhões de anos atrás . O ancestral comum a todas essas espécies teria desenvolvido uma endossimbiose bacteriana, graças a uma certa predisposição à organogênese nodular (a formação de nódulos é um desvio do programa genético de formação de raízes secundárias). É provável que a capacidade de formar nódulos tenha aparecido várias vezes e de forma independente durante a evolução . Essa capacidade também foi perdida várias vezes, por exemplo, para adaptação a solos mais férteis. Isso ajuda a explicar a presença de plantas nodulares dentro do clado de plantas nodulares .
Duas “forças de seleção” antagônicas podem ser responsáveis pela especificidade das simbioses de fixação de nitrogênio.
Baixa especificidade parece ser encontrada nos gêneros de plantas primitivas, enquanto a especificidade dos simbiontes aumenta durante a evolução.
No nível molecular, três níveis de especificidade podem ser definidos durante o diálogo da planta hospedeira do rizóbio. Os genes Nod são transportados por um plasmídeo bacteriano. As transferências horizontais de genes podem então ocorrer, o que também transfere espectros do hospedeiro. Isso explica a interação entre espécies de bactérias evolutivamente distantes e plantas hospedeiras próximas, e vice-versa. Assim, há uma coevolução entre os genes da simbiose e as plantas hospedeiras, e não entre as rizobiáceas e as plantas hospedeiras.
Muitas plantas têm associações semelhantes:
De 2000 a 2015, várias espécies de plantas exibindo endófitos fixadores de nitrogênio foram encontradas, incluindo:
A capacidade de fixação de nitrogênio foi quantificada diretamente em algumas gramíneas (cana-de-açúcar, trigo e arroz).
Isso é feito por dois meios:
Alguns estudos, por precaução, usam esses dois testes ao mesmo tempo, como o estudo de 2016 que pela primeira vez mostrou a existência de bactérias diazotróficas simbiontes de espécies pioneiras em galhos de árvores (salgueiros ou choupos pioneiros florescendo em ambientes com uma alta deficiência de nitrogênio).