FIXAÇÃO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO ATMOSFÉRICO

Ciclo do nitrogênio

NO3-

NO2-

NH3NH4

+

NO3- NH3 NO3

-

N2

N2

N2 NO3-

Principaisperdas

Principalentrada

Ciclo do nitrogênio

NO3-

NO2-

NH3NH4

+

NO3- NH3 NO3

-

N2

N2

N2 NO3-

Principaisperdas

Principalentrada

SIMBIOSE RIZSIMBIOSE RIZÓÓBIOBIO--LEGUMINOSALEGUMINOSA

FAMÍLIA LEGUMINOSAE

Diversidade e freqüência 750 gêneros

18.000 espéciesSubfamílias:

Papilionoideae: (13.000 sp.) > nodulíferas (feijão, soja)Mimosoideae: (2.700 sp., maioria arbóreas tropicais)Caesalpinoideae: (1.900 sp.) 70% não nodulam

• EXPLORADA DESDE O SÉC. XIV (Allen & Allen, 1981)

- Rotação com leguminosas FertilidadeNutrição Mineral

• FINAL DO SÉCULO XIX

- Identificada a bactéria: Bacillus radicola (rizBacillus radicola (rizóóbio)bio)

- Capacidade: fixar o Nfixar o N22 em simbiose com leguminosas em simbiose com leguminosas

(Siqueira, 1993)

TAXONOMIA DO RIZÓBIO

Grupo de bactérias: Gram -, aeróbias obrigatórias sem endosporos

Nódulos (hipertrofias corticais em plantas)

Uso de vários carboidratos e produção de gomas (polissacarídeos extracelulares)

Flagelos: em função dos gêneros

Predominantemente QUIMIORGANOTRÓFICAS

Até 1982: 1 gênero e 6 espécies de rizóbio

Biologia Molecular + 5 gêneros e 23 espécies

Número subestimado: PESQUISAS LIMITADAS

DIFERENCIAÇÃO DOS GÊNEROS:

Características culturais e morfológicas em meio YMA

(yeast, mannitol, agar)

• Áreas tropicais: estirpes de crescimento lento alcalinizante (Bradyrhizobium)

• Áreas temperadas: crescimento rápido e acidificante

(Rhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium, Allorhizobium)

Azorhizobium: crescimento rápido e alcalinizante

Mesorhizobium: crescimento intermediário

Características que podem ser avaliadas em laboratório:

• TAXA DE CRESCIMENTO (colônias isoladas):

Muito rápido: 1 dia

Rápido: 2 a 3 dias

Intermediário: 4 a 5 dias

Lento: 6 a 10 dias

Muito lento: mais que 10 dias

• DIÂMETRO MÉDIO DAS COLÔNIAS: em mm

• MODIFICAÇÃO DO pH DO MEIO: ácido, neutro, alcalino

• PRODUÇÃO DE GOMA: baixa à alta

• COLORAÇÃO DAS COLÔNIAS: amarelada e brancaMeios YMA com rizóbio de crescimento lento e alcalinizante (esq.) e de crescimento rápido e acidificante (dir.)

FOTOSSÍNTESE

N2

N2

N2

RIZÓBIO

N2

N2

nódulo

Aminoácidos- NH3

LEGUMINOSAFotoassimilados

SIMBIOSE RIZÓBIO-LEGUMINOSA

Rhizobium

BradyrhizobiumAzorhizobium

SinorhizobiumMesorhizobium

ESTABELECIMENTO DA SIMBIOSE

NODULAÇÃO: seqüência de eventos bioquímicos, genéticos e fenológicos, sendo cada etapa regulada por genes específicos da planta e do rizóbio e seus produtos, resultando em relações compatíveis ou não.

1. ENTRADA DO RIZÓBIO:

• Células da epiderme

• Ferimentos (pontos crescimento das raízes laterais)

• Pêlos absorventes (soja, feijão)

A. MULTIPLICAÇÃO DO RIZÓBIO NA RIZOSFERA

PÊLO RADICULAR

CÉLULAS DA EPIDERME

quimiotaxia: reversquimiotaxia: reversíívelvel

B. ADESÃO POLAR AO PÊLO RADICULAR

PÊLO RADICULAR

CÉLULAS DA EPIDERME

RIZÓBIO

Leguminosa (exsudatos)Leguminosa (exsudatos)•• FlavonFlavonóóides ides •• Lectinas: ligam a bactLectinas: ligam a bactéériaria

RizRizóóbiobiogenes nod genes nod

PÊLO RADICULAR

CÉLULAS DA EPIDERME

RIZÓBIO

C. ENCURVAMENTO DO PÊLO RADICULAR

D. FORMAD. FORMAÇÇÃO DO CORDÃO DE INFECÃO DO CORDÃO DE INFECÇÇÃOÃO

CRESCIMENTO E RAMIFICAÇÃO DO CORDÃODE INFECÇÃO NO CORTEX RADICULAR

Cordão de infecção

xilema

floema

periciclo

endoderme

córtex

epiderme

Liberação da bactéria na célula

APAPÓÓS 96 hS 96 h

ASSIMILAÇÃO E TRANSPORTE DE N PARA A PARTE AÉREA

• NH3 = 1o produto estável, transferido do bacteróide para o hospedeiro

• No hospedeiro: NH3 + ác. glutâmico = glutamina, ureídos e asparagina, exportados para a P.A.

• A forma e quantidade de N2 fixada e a exportada: depende da espécie vegetal e da estirpe de rizóbio:

ASPARAGINA: Ervilha, Lupinos, trevo, alfafa e amendoim

ALANTOÍNA OU ÁCIDO ALANTÓICO (ureídos): transporta mais N por unidade de C = mais eficiente: Caupi, feijão, soja (grãos) e guandu (menor custo

energético!)

INOCULAINOCULAÇÇÃO COM RIZÃO COM RIZÓÓBIO BIO -- MMÉÉTODOSTODOS

“Inoculação = colocar, junto da semente ou da leguminosa recém-germinada, uma população de rizóbio específico e comprovadamente capaz de nodular a planta formando simbiose eficiente”.

CLÁSSICOInoculante(100 g)+ água

(100 mL) + sementes (60 kg)

PELETIZAÇÃOAdesivo + inoculante + calcário + micro ou fosfato de rocha

Cuidados para obter boa inoculação:- Não usar inoculante vencido; proteger as sementes após inoculação; cuidados com agrotóxicos

Avaliação (Floração), Métodos ARA e 15N:� Tamanho, aspecto, abundância e cor dos nódulos

e vigor da planta

Necessidade de inoculação:

• ausência da espécie hospedeira ou de outra

simbioticamente relacionada no passado imediato

• nodulação pobre quando a espécie foi cultivada

previamente

• número baixo de células de rizóbio (< 50/g solos)

• quando a leguminosa segue uma cultura leguminosa em rotação

• em recuperação de solos degradados

• quando condições ambientais são desfavoráveis para sobrevivência de rizóbio (solos alcalinos ou muito ácidos, sob inundação prolongada, temperaturas elevadas, ou condições secas)

Produtoras de grãos

Soja (Glycine max) 60-178Feijão (Phaseolus vulgaris) 3,0-110

Caupi (Vigna unguiculata) 73-354

Amendoim (Arachis hypogaea) 72-124

Guandu (Cajanus cajan) 168-280

Calopogonio (C. mucunoides ) 370-450

Feijão mungo (Vigna mungo) 63-342

Grão de bico (Cicer arietinum) 50-103

Ervilha (Pisum sativum) 52-77(Siqueira & Franco, 1988; People et al., 1995)

Espécie de leguminosa N2 fixadokg de N ha –1 ano -1

ESTIMATIVAS DA FBN EM LEGUMINOSAS

•••• ForrageirasLeucena (Leucaena leucocephala)Centrosema (C. pubescens)Estilosantes (Stylosanthes spp.)

500-600126-39834-220

•••• Espécie arbóreaAcacia (Acacia mearnsii)Sesbania sesbanCalliandra calothyrsucsGliciridia sepium

200160-195474-581586-700

(Siqueira & Franco, 1988; People et al., 1995 )

Espécie de leguminosa N2 fixado

kg de N ha -1ano -1

•••• Floresta tropicalEm regeneração 71-78Após estabilização (40 anos) 35-45

Quantidade de N estimada em kg haQuantidade de N estimada em kg ha--11 ano ano --11 ou ciclo e proporou ciclo e proporçções ões de N derivado de FBN em leguminosas tropicais e subtropicaisde N derivado de FBN em leguminosas tropicais e subtropicais

Leguminosa N total FixaLeguminosa N total Fixaçção de Não de N22 ProporProporçção ão kg hakg ha--11 ano ano --1 1 kg hakg ha--11 ano ano --1 1 de N/FBN de N/FBN

Amendoim 126Amendoim 126--319 37319 37--206 22206 22--9292Soja 33Soja 33--643 643 1717--450450 1414--9797Caupi 25Caupi 25--100 9100 9--39 1239 12--7070Feijão 71Feijão 71--183 3183 3--57 1657 16--71 71 Leucena Leucena 288288--344344 9898--231231 3434--100100Sesbania Sesbania 157157--312312 8383--286286 3636--100100

Peoples & Craswell (1992), citados por Marschner (1995)Peoples & Craswell (1992), citados por Marschner (1995)

FATORES LIMITANTES À FBN

BIÓTICOS

• Genes nif: restrito a pequeno no de bactérias

• Especificidade hospedeira:- soja, ervilha, alfafa, trevo= não nodulam com

rizóbio nativo- feijoeiro= promíscuo, dificulta a introdução de

estirpes eficientes

• Engenharia genética: estirpes eficientes e competitivas > sobrevivência no solo e competição com estirpes nativas

Influência da estirpe na fixação de N2 e resposta da soja e do feijoeiro à inoculação com rizóbio

(Baseado em Vidor et al., 1983; Duque et al., 1985)

Tratamentos Produção Aumento c/ Quantidadede inoculação de grãos inoculação N2 fixado

kg ha-1 % kg ha-1

SOJAEstirpe 123 1590 62 48,9 Estirpe 586 1870 91 78,7Estirpe 110 1950 99 86,3Estirpe 532c 2100 114 95,0Sem inoculação 980 - -

FEIJOEIROEstirpe 487 984 78 17,2Estirpe CNPAF 150 1002 81 18,0Estirpe CAPC 23 934 69 15,2Sem inoculação 553 - -

Estimado pela diferença entre plantas com e sem inoculação

b. soja não inoculada (primeiro plano) e inoculada (fundo)

a. Inoculação com isolados de Bradyrhizobium japonicum de nódulos com baixa, média e alta atividade específica da nitrogenase (da esquerda para a direita)

Eficiência da inoculação com rizóbio (isolado 127) em feijoeiro, comparada à adubação nitrogenada (N) e sem inoculação (T)

FATORES LIMITANTES FATORES LIMITANTES ÀÀ FBNFBN

ABIABIÓÓTICOSTICOS

•• Fatores climFatores climááticosticos: : -- Temperatura:Temperatura: baixa baixa -- retarda a infecretarda a infecççãoão

alta alta -- < a eficiência dos n< a eficiência dos nóódulosdulosóótima= 25 a 32tima= 25 a 32ooC (leguminosas tropicais)C (leguminosas tropicais)

Controle: cobertura morta Controle: cobertura morta

-- Umidade e aeraUmidade e aeraççãoão

Deficiência hDeficiência híídrica drica -- < crescimento planta e < crescimento planta e fotoassimilados < infecfotoassimilados < infecçção e produão e produçção de não de nóódulosdulos

Excesso de Excesso de áágua < Ogua < O22, necess, necessáário para a respirario para a respiraççãoão

•• Fertilidade do soloFertilidade do solo::

Acidez:Acidez: faixa crfaixa críítica pH= 3,5 tica pH= 3,5 -- 5,5 (sp. tropicais + 5,5 (sp. tropicais + tolerantes)tolerantes)

Plantas fixando NPlantas fixando N22 > absor> absorçção cão cáátions (Cations (Ca2+2+, Mg, Mg2+2+, K, K++, , NaNa++) e < absor) e < absorçção de ânions (Clão de ânions (Cl--, HPO, HPO44

22--, SO, SO4422--), ),

Disponibilidade de nutrientes minerais:Disponibilidade de nutrientes minerais:

N: maior efeito sobre a FBN N: maior efeito sobre a FBN -- ssóó ocorre em baixa [N]ocorre em baixa [N]

N-combinado

Nitrogênio do solo

To

tal d

e n

itro

gên

io n

a p

lan

ta

Esquema simplificado da relação entre FBN e absorção de N-combinado (fertilizante) em leguminosas nodulíferas

Taxa mTaxa mááxima fixadaxima fixada

FBN(Marschner, 1997)

• NO3-: < deformação dos pêlos absorventes,< adesão, <

cordões de infecção• NO2

-: destrói AIA, (infecção), inativa a leghemoglobina • NH3 (glutamina):< produção e atividade da Nase, < N na MSPA e < produção de fotoassimilados para os nódulos

Outros nutrientes

Fósforo: aumenta a FBN (ATP), > das leguminosas édependente da simbiose com fungos micorrízicos

RelaRelaçção entre suprimento de P e peso da matão entre suprimento de P e peso da matééria seca da parte aria seca da parte aéérea, rea, raraíízes e nzes e nóódulos em plantas de soja*dulos em plantas de soja*

Suprimento de P matSuprimento de P matééria seca (g plantaria seca (g planta--11))µµµµµµµµg Lg L--1 ra1 raíízes nzes nóódulos parte adulos parte aéérearea

0,5 0,60 0,00,5 0,60 0,07 1,217 1,2120 0,76 0,120 0,76 0,10 1,550 1,5550 0,79 0,150 0,79 0,16 1,866 1,86

200 1,23 0,35200 1,23 0,35 4,224,22500 1,35 0,64500 1,35 0,64 6,576,57

* (Cassman et al. (1980)* (Cassman et al. (1980)

Efeito de fertilizante nitrogenado ( 2 x 30 kg : NH4NO3) e Mo(peletização das sementes = 100 g de Mo ha-1: MoO3 sobre ocrescimento de amendoim em solo ácido*

início (68 DAP) maturidade (90 DAP)Tratamento nódulo Nitrogenase N foliar absorção N

mg MS planta -1 µµµµmol C2H4 g -1 mg g -1 MS kg ha-1

nódulo fresco

+ P** 80 50 25 77+ P + N 70 43 33 110+P +Mo 180 60 37 119

Baseado em Hafner et al. (1992), citado em Marschner (1995)* * 16 kg de P ha-1 como superfosfato simples

Molibdênio: Contido na Nase, responsável pela transferência de e- para a redução de N2 para 2NH3, absorção e transporte do Fe Deficiência de Fe limitando o desenvolvimento de nDeficiência de Fe limitando o desenvolvimento de nóódulos em amendoim, dulos em amendoim,

crescido em solo calccrescido em solo calcáário*rio*tratamento Folhas Nódulos Fe (µµµµg g-1 Leghem bacteróide ARA

foliar (FeSO4) g pl -1 MF mg MF pl-1 MS nódulo nmol MF 106 g-1 MF pmol min -1 pl -1

-- Fe 3,2 Fe 3,2 15 15 800 800 66 170170 33+ Fe** 3,3 + Fe** 3,3 6060 1470 1470 8686 7300 7300 3535* O* O’’Hara et al. (1988 b); ** Hara et al. (1988 b); ** apapóós 10 dias, todos as determinas 10 dias, todos as determinaçções (+/ões (+/-- Fe) em 15 diasFe) em 15 dias

Ferro e Manganês: Funcionamento da NaseSíntese de clorofila e desenv. cloroplastos

Cobalto: Efeito sobre crescimento da bactéria e produção de leghemoglobina

Cobre: nodulação e fixação do N2

(Malavolta, 1994; Siqueira, 1993)

BENEFBENEFÍÍCIO PARA OUTROS SISTEMASCIO PARA OUTROS SISTEMAS

LEGUMINOSALEGUMINOSA NÃONÃOLEGUMINOSALEGUMINOSA

TRANSFERÊNCIATRANSFERÊNCIAVIAVIA

RARAÍÍZES E HIFASZES E HIFAS

DECOMPOSIDECOMPOSIÇÇÃO DOSÃO DOSRESRESÍÍDUOSDUOS

REMOREMOÇÇÃO NOS ÃO NOS PRODUTOSPRODUTOS

REMOREMOÇÇÃO NOS ÃO NOS PRODUTOSPRODUTOS

MATMATÉÉRIA ORGÂNICARIA ORGÂNICADO SOLODO SOLO

FIXAFIXAÇÇÃO DO N2ÃO DO N2APODRECIMENTO DOSAPODRECIMENTO DOS

NNÓÓDULOSDULOS

EXCREEXCREÇÇÃO DE NÃO DE N

FERTILIZANTEFERTILIZANTE FERTILIZANTEFERTILIZANTE

(SIQUEIRA, 1993)(SIQUEIRA, 1993)

TRANSFERÊNCIA DE N EM SISTEMAS DE ADUBATRANSFERÊNCIA DE N EM SISTEMAS DE ADUBAÇÇÃO VERDEÃO VERDE

ECONOMIA DE DIVISASECONOMIA DE DIVISASPRODUTORAS DE GRÃOSPRODUTORAS DE GRÃOSLEGUMINOSALEGUMINOSA ÁÁREA PRODUREA PRODUÇÇÃO UREIA ECONOMIAÃO UREIA ECONOMIA

milhões ha milhões t anomilhões ha milhões t ano--1 1 bilhões t bilhões US$bilhões t bilhões US$

Soja 12,5 25 5,7 1,6*FeijãoFeijão -- -- -- 0,36**0,36**

* Equivalente a 150 milhões de t de N proveniente da atmosfera* Equivalente a 150 milhões de t de N proveniente da atmosfera** Estimativa (produtividade 1500 kg ha** Estimativa (produtividade 1500 kg ha--11, com riz, com rizóóbio eficiente)bio eficiente)(Dobereiner, 1997)(Dobereiner, 1997)

POTENCIAL DA FBNPOTENCIAL DA FBN

RIZÓBIO X PLANTA X SOLO = FBN

- SELEÇÃO DEESTIRPES

- SELEÇÃO DE CULTIVARES

- ELIMINAÇÃO DEESTRESSES

- AJUSTES DAQUÍMICA E FÍSICA DO SOLO