Fijación biológica del nitrógeno en los cultivos de soja

Introducción

ICL América del Sur cuenta con un programa completo denominado Nodulación Activa (Agora Mais Viva), que reúne tecnologías nutricionales, fisiológicas y biológicas (Up! Seeds, Tônus, Actibio X Brady, Actibio X Azos). Estas tecnologías están diseñadas para garantizar una alta eficiencia en el proceso de Fijación Biológica del Nitrógeno (FBN) durante todo el ciclo del cultivo de soja, contribuyendo a una mayor productividad y rentabilidad. A continuación se hace una revisión y actualización de conceptos generales, procesos involucrados en la interacción microorganismo-planta, aspectos nutricionales y biológicos importantes, buenas prácticas de aplicación, entre otros factores determinantes para asegurar el éxito de la FBN.

Extracción de N por el cultivo de soja

La soja (Glycine max) es el principal cultivo de la agroindustria brasileña y uno de los más importantes del mundo. Es esencial para la alimentación humana y animal como fuente de proteínas. Debido a la expresividad del cultivo, el fitomejoramiento ha desarrollado varios cultivares que se han lanzado en los últimos años, con potenciales de producción cada vez más altos y que, por lo tanto, requieren una nutrición aún más robusta.

Entre los nutrientes, el nitrógeno es el elemento más requerido por el cultivo de soja. Según un estudio reciente de Guidorizzi et al. (2023), para rendimientos medios de 90 sc/ha, se necesitan alrededor de 140 a 180 kg de N (dependiendo del cultivar) para producir 1 tonelada de soja.

Por lo tanto, existen varias fuentes de suministro de este nutriente, como la mineralización de la materia orgánica, la fijación no biológica (descargas eléctricas, combustión y vulcanismo), los fertilizantes y la fijación biológica del nitrógeno atmosférico (N₂).

El aire atmosférico está compuesto en un 80% por N₂, que también se difunde por los poros del suelo. Sin embargo, las plantas son incapaces de asimilarlo de esta forma debido a la fuerte unión entre los átomos de N (triple enlace).

Existe un grupo de bacterias, conocidas como rizobios, que son capaces de romper este fuerte enlace y asimilar el nitrógeno. Este proceso, conocido como fijación biológica del nitrógeno (FBN), es el segundo más importante para la supervivencia de las especies, por detrás de la fotosíntesis.

Cómo se produce el proceso de fijación biológica del N₂?

La fijación biológica del nitrógeno se basa en interacciones bioquímicas complejas, que implican varias etapas para la infección y la formación de nódulos. Este proceso puede ser llevado a cabo por grupos microbianos simbióticos, dando lugar a la formación de nódulos mediante una simbiosis mutualista (como Bradyrhizobium spp.), así como por grupos no simbióticos, como microorganismos asociativos (Azospirillum spp.) y de vida libre.

Para que se produzca el proceso de simbiosis, las raíces de las plantas exudan sustancias orgánicas que se encargan de atraer químicamente a los rizobios, estimulando a las bacterias para que inicien el proceso de infección, es decir, la penetración de las bacterias en las raíces de la soja. Con esta señalización, las bacterias se multiplican en el suelo (la rizosfera de la planta), donde entran en contacto directo con los pelos radiculares y mediante este proceso las bacterias se adhieren a las raíces.

El proceso de formación de nódulos puede resumirse del siguiente modo:

1. Liberación de flavonoides y compuestos fenólicos (sustancias orgánicas) por las raíces de la planta;
2. Quimiotaxis del rhizobium hacia la superficie de la raíz;
3. Adherencia de las bacterias a las raíces, flexión del pelo radicular y formación de la vía de infección;
4. Crecimiento del nódulo (infección múltiple de las células y formación de bacteroides);
5. Crecimiento del nódulo e inicio de la BNF.

Proceso de fijación biológica del N₂

Estas bacterias diazotróficas se asocian simbióticamente con las plantas (en el caso de la soja, pertenecen al género Bradyrhizobium spp.), y llevan a cabo la FNB mediante un complejo enzimático, denominado brevemente nitrogenasa. La enzima es capaz de romper el fuerte enlace del N₂ (triple enlace) y reducirlo a amoníaco NH3. Estos rizobios actúan formando estructuras especializadas (nódulos) donde tiene lugar el proceso BNF, en el que se sintetiza amoníaco y se incorpora a iones H+, transformándolo en amonio NH4+, que se distribuye a las plantas.

El proceso BNF genera un elevado coste para las plantas (gasto energético). En esta asociación, la planta proporciona energía en forma de carbohidratos a la bacteria, que a cambio proporciona nitrógeno amoniacal, fijado a partir del N₂ atmosférico. Debido a la presencia de la nitrogenasa, esta compleja reacción puede tener lugar a presión atmosférica y temperatura ambiente, mediante el consumo de ATP (adenosín trifosfato), como se muestra en la siguiente ecuación:

En resumen, para llevar a cabo este proceso, las bacterias fijadoras de nitrógeno necesitan:

1. N₂ como materia prima;
2. Energía en forma de trifosfato de adenosina (ATP), producido por fosforilación oxidativa, donde se necesita O₂ presente en la atmósfera del suelo para entrar en el nódulo, como resultado del producto de la fotosíntesis, desdoblado en presencia de oxígeno (O2);
3. Sistema enzimático en forma de nitrogenasa para reducir el N₂ a NH3;
4. Un sistema donador de electrones para llevar a cabo la reducción junto con ATP;
5. Un sustrato receptor de amoníaco para su posterior incorporación a la planta.

Aspectos importantes de la fenología y la nodulación

La eficacia del proceso BNF y la longevidad de los nódulos de la soja están directamente relacionadas con la disponibilidad de nutrientes para las plantas. Mantener una fertilidad equilibrada del suelo, con nutrientes como níquel (Ni), cobalto (Co), molibdeno (Mo), azufre (S), fósforo (P) y magnesio (Mg), que son esenciales para el proceso, puede ser una estrategia eficaz para optimizar el crecimiento y la productividad de la soja.

Es importante destacar que el cuidado y la atención durante todo el proceso de BNF son esenciales para extraer la máxima capacidad de la soja para fijar nitrógeno a través de bacterias, contribuyendo tanto a la sostenibilidad económica del productor como al aumento de la productividad. Por lo tanto, el uso de inoculantes de calidad, en la forma correcta, así como una nutrición adecuada de la planta son esenciales para lograr el éxito en la fijación biológica de nitrógeno y, en consecuencia, para suministrar nitrógeno al cultivo.

El papel del cobalto, el molibdeno y el níquel en la BNF:

Para la BNF, el Co es un componente vital necesario para sintetizar la vitamina B12 (cobalamina), necesaria para la formación de la leghemoglobina. Su presencia en el interior de los nódulos de las raíces de las leguminosas es responsable de transportar y mantener los niveles de oxígeno a tasas que permitan el proceso de respiración del bacteriode y el funcionamiento de la nitrogenasa, enzima muy sensible al oxígeno (la nitrogenasa se inactiva por la presencia de O₂).

Los bacteriodes inducen los genes NIF y FIX responsables de sintetizar el complejo enzimático llamado nitrogenasa, una enzima que cataliza las reacciones de reducción de N₂ a NH3. En las plantas, el Mo se utiliza principalmente para producir enzimas que regulan diversas funciones fisiológicas. En las especies no leguminosas, la enzima que regula la conversión del nitrato en la forma final de proteína es la nitrato reductasa. En las leguminosas, otra enzima, la nitrogenasa, es requerida por las bacterias que forman nódulos en las raíces para fijar el N. Las leguminosas tienen una mayor necesidad de Mo que cualquier otro cultivo.

En las plantas, el níquel constituye el sitio activo de la metaloenzima ureasa, que se encarga de hidrolizar la urea en dos moléculas de amoníaco y dióxido de carbono (CO₂), desempeñando un papel directo en el metabolismo del N. El principal medio de transporte de nitrógeno desde los nódulos a la parte aérea de la soja es en forma de ureidos. Sin embargo, cuando aumenta la concentración de ureidos en la parte aérea de la planta, el BNF se reduce significativamente, en un fenómeno conocido como «efecto de retroalimentación». En este contexto, una vez en las hojas, los ureidos pueden convertirse a través de la vía de degradación de las purinas y, a continuación, ser metabolizados por la ureasa.

¿Cuándo y cómo evaluar la nodulación?

El tiempo necesario para que se formen nódulos en las leguminosas y para que comience la actividad de la nitrogenasa puede ser variable, cambiando según la especie de leguminosa y сера. De este modo, existen algunas formas de evaluar la eficiencia de la fijación simbiótica de nitrógeno.

Esta evaluación puede llevarse a cabo teniendo en cuenta aspectos del nódulo, tales como:

• Forma: Redondeada, con superficie rugosa;
• Tamaño: Relativamente grande, de 2 a 5 mm. Los nódulos ≥ 2 mm tienen una gran capacidad de nodulación;
• Color interno: Intenso, rosáceo-rojizo (indica plena actividad del nódulo);
• Distribución de los nódulos en el sistema radicular de la planta: Presencia en la corona de la raíz principal indica la eficacia del inoculante. Después de la floración, la presencia de nódulos en las raíces secundarias es casi siempre el resultado de la infección por rizobios ya establecidos en el suelo, procedentes de inoculaciones de años anteriores, ya que los rizobios crecen lentamente en el suelo;
• Número: 10 a 12 días después de la emergencia:
  4 a 8 nódulos;
• Floración (R1): 15 a 30 nódulos.

Conceptos importantes

• Productos Biológicos: Insumos agrícolas desarrollados a partir de un ingrediente activo que es natural, considerado un ingrediente activo biológico. Por lo tanto, es necesario tomar ciertas precauciones desde su colocación hasta su aplicación en el campo para que su eficacia no se vea afectada.
• Inoculación: Adición de microorganismos beneficiosos a las plantas. Estos microorganismos aportan ciertas ventajas a los cultivos, como un mayor crecimiento, un mejor desarrollo y una mejor absorción de nutrientes y sostenibilidad agrícola.
• Coinoculación: La combinación de más de un microorganismo que contribuye a diferentes procesos microbianos, lo que optimiza el crecimiento de las plantas.

¿Por qué es necesario inocular la soja todos los años?

Aunque la soja esté ampliamente cultivada en el país, no se da de forma natural en Brasil, teniendo su centro de origen en China. Por esta razón, no existe ningún rhizobium nativo de nuestros suelos que tenga la capacidad de nodular el cultivo de soja, ya que el proceso simbiótico resulta de un proceso de evolución de millones de años entre las bacterias y las plantas hospederas. Este factor justifica la inoculación obligatoria en las zonas de primer cultivo.

En áreas tradicionalmente cultivadas, la reinoculación es importante, dado que, aunque existan bacterias en el suelo, éstas a su vez pueden estar limitadas por diversos factores, como los nutricionales y ambientales, y se estima que un máximo del 10% de estos microorganismos están activos en el suelo, ralentizando el proceso de BNF. En cambio, en las semillas inoculadas, que llevan decenas de miles de bacterias (activas), la formación de nódulos es inmediata.

El uso de inoculantes tiene una serie de ventajas, como mejorar la calidad del suelo, ahorrar dinero a los productores al eliminar el uso de fertilizantes nitrogenados en el cultivo de la soja, aumentar la productividad de los cultivos y no dañar el medio ambiente.

¿Factores que pueden influir en el BNF?

La tecnología de aplicación es un conjunto de conocimientos que ayuda a los productores a utilizar los inoculantes de forma correcta, segura y responsable. Los productos biológicos para inoculación y coinoculación pueden aplicarse a través del tratamiento de semillas, a través del surco de plantación y, en algunos casos, a través de la superficie total.

Además de la tecnología de aplicación, es decir, la forma en que se aplica el producto, otros factores como el genotipo de los cultivares utilizados, así como las condiciones climáticas en el momento en que se aplican los bioinsumos, pueden influir en este proceso.

El control de calidad de los bioinsumos es fundamental para garantizar su calidad, seguridad y eficacia. Por ello, se debe prestar atención a la cepa bacteriana y al tipo de formulación del inoculante (formulación líquida o turba), en función de la historia de la zona, para conseguir el mayor éxito en el proceso de inoculación/coinoculación.

Otros factores que pueden interferir en la nodulación de la soja son:

• Entorno y operación de inoculación: El tratamiento de las semillas, la temperatura y la humedad en el momento de la operación pueden influir en el éxito de la nodulación.
• Tratamiento químico de las semillas: Algunos productos químicos pueden ser incompatibles en el momento del tratamiento de las semillas.
• Fotosíntesis: La funcionalidad del nódulo depende del suministro de sustancias orgánicas a las bacterias por parte de las plantas, que proceden del proceso fotosintético.
• Encalado: El suelo debe estar libre de acidez elevada. El encalado mejora la química del suelo elevando el pH, mejorando la fertilidad y aumentando la mineralización de la materia orgánica.

Unidades de formación de colonias (UFC)

Concepto: Unidad de medida utilizada para estimar el número de hongos o bacterias viables capaces de multiplicarse.

Transformación: Para transformar los valores de UFC/L a UFC/mL, basta con eliminar 3 decimales del exponente;

Cálculo del número de bacterias por semilla:

Las recomendaciones indican la utilización de una cantidad mínima de células bacterianas por cada semilla tratada:

• Para las zonas donde ya se cultiva soja, se recomienda un mínimo de 1.200.000 UFC/semilla;
• En el caso de zonas nuevas sin antecedentes de cultivo de soja, se recomienda el doble de esta dosis: 2.400.000 UFC/semilla.

En el caso de la soja inoculada con bacterias del género Bradyrhizobium, la concentración es esencial para promover una mejor colonización de las raíces y una rápida fijación biológica del nitrógeno, es decir, en general, una mayor concentración es sinónimo de un mejor rendimiento del inoculante (para el BNF en cuestión). De esta forma, cuanto más concentrados los inoculantes, más rápido se colonizan las raíces y esto acaba proporcionando un mejor crecimiento de las plantas y un mayor aumento del rendimiento cuando se aplica a los cultivos.

De acuerdo con la recomendación de Embrapa (2011), la concentración de células debe ser superior a 1,0 x 109 g-1 o mL-1 y por lo menos una de las cuatro cepas recomendadas (Semia 587, Semia 5019, Semia 5079 y Semia 5080) debe estar presente en el producto.

Factores importantes a ter em conta:

• Antes de preparar la pulverización
  Algunos factores previos a la aplicación son esenciales para el éxito de la inoculación/coinoculación. Estos incluyen leer siempre el prospecto y seguir las recomendaciones del fabricante, utilizar el producto recomendado según el objetivo y el nivel de población, utilizar la tecnología de aplicación correcta (equipo y boquillas adecuados) y ajustar el equipo siempre que sea necesario.
• Durante la preparación del jarabe
  Se debe limpiar el equipo y comprobar la compatibilidad, observando qué productos pueden mezclarse sin incompatibilidad física o química. Utilizar la dosis recomendada, ya que una dosis excesiva o insuficiente puede causar ineficacia o el efecto contrario al esperado de la acción del producto sobre las plantas.

• Después de preparar la mezcla
  El tiempo de aplicación tras la mezcla (incluso si los productos son compatibles) puede interferir en la eficacia de los productos. Por ejemplo, si las semillas se inoculan durante 24 horas más, es necesario volver a inocularlas. Algunos microorganismos son más agresivos y, cuando se mezclan durante más tiempo, pueden competir por el espacio e incluso provocar la muerte de otros microorganismos.
• Durante la aplicación:
  Debe comprobar que las condiciones meteorológicas son las adecuadas para la aplicación según el tipo de producto, tales como: temperatura 10 a 35 °C; humedad relativa (HR) 60% a 95% y velocidad media diaria del viento < 10 mh/h).

Retos para el éxito de la BNF en el cultivo de la soja:

Hay que superar algunos retos para lograr el éxito de la BNF. Un punto de atención es la nutrición equilibrada, ya que una planta en relación simbiótica con un rizobio es más exigente que una planta en la que el suministro de nitrógeno se realiza a través de fertilizantes minerales.

Los efectos nocivos del uso de pesticidas deben observarse atentamente en relación con la supervivencia y el rendimiento de los rizobios. Este factor es aún más limitante cuando las bacterias entran en contacto con los pesticidas durante periodos prolongados, durante la inoculación temprana. Otro reto que debe tenerse en cuenta es el estrés ambiental, como el estrés hídrico, las altas temperaturas y la baja humedad.