Importancia del níquel en la BNF de la soja

Introducción

La soja (Glycine max L.) es una leguminosa de origen asiático que se cultiva en varias partes del mundo. Es un cultivo milenario que se ha convertido en la base, directa o indirectamente, para la alimentación de miles de millones de personas tanto en el hemisferio oriental (centro de origen) como en el occidental.

La soja es un cultivo bidimensional que contiene entre un 40 y un 42% de proteínas de alta calidad; entre un 20 y un 22% de aceite y entre un 20 y un 30% de carbohidratos. Debido a estas características, se ha convertido en la principal fuente de proteínas para los seres humanos y animales, al estar en forma de granos enteros o triturados en forma de aceite o harina (Pimentel et al., 2006; Gonçalves et al., 2018; Peiretti et al., 2019; Narayanan y Fallen, 2019). La calidad de la proteína de la soja es análoga a la de la carne, los productos lácteos y los huevos (Mendes et al., 2004; Lodhi et al., 2015).

De acuerdo con los datos de la Figura 1, tanto el área sembrada como la productividad del cultivo de la soja se han expandido desde la cosecha 1976/77. Para la cosecha 2019/20, el área sembrada fue de 36,8 millones de ha, mientras que la productividad media nacional fue de 3.373 kg ha-1.

Figura 1. Serie histórica del área sembrada y productividad del cultivo de la soja en Brasil. Fuente: (CONAB, 2020)

Una vez conocida la relevancia del cultivo de la soja, es fundamental entender los factores que están directamente relacionados con la productividad de este cultivo. En este contexto, se sabe que, entre otros factores, el rendimiento del cultivo de la soja a menudo se asocia con la absorción total de nitrógeno (N) y, en última instancia, la absorción total de este elemento depende de la cantidad de N que se fija y/o absorbe biológicamente de la solución del suelo (Santachiara et al., 2017).

Nitrógeno y fijación biológica de nitrógeno (BNF) en el cultivo de la soja

La alta absorción de N es un requisito para los cultivos de la soja, especialmente aquellos con altos rendimientos (Santachiara et al., 2017). En este sentido, los informes de la literatura demuestran que se requieren aproximadamente 80 kg ha-1 de N para producir una tonelada de granos de la soja (Salvagiotti et al., 2008). Aunque el N es abundante en la atmósfera (78%), esta enorme cantidad no está disponible para plantas, animales o seres humanos (Coskan y Dog, 2011; Yang et al., 2019). Por lo tanto, la BNF es un proceso mediante el cual las plantas, asociadas a los microorganismos, convierten el nitrógeno atmosférico (N2) en amoníaco (NH3), fácilmente disponible para el crecimiento de las plantas (Yang et al., 2017).
Sin embargo, en condiciones de alto rendimiento, el N del suelo y de la BNF pueden no ser suficientes para mantener las tasas de absorción durante el período de producción de la soja, por lo que no satisfaría la demanda de N requerida para alcanzar el máximo rendimiento alcanzable (Salvagiotti et al., 2009). Los resultados muestran que el N total fijado a través de la FBN varía entre 300 y 400 kg ha-1, lo que es insuficiente para soportar una alta productividad (Santachiara et al., 2017; Ciampitti y Salvagiotti, 2018). Situaciones de alta productividad y/o baja eficiencia de la FBN podrían afectar negativamente el balance de N y el balance de carbono (C), que por lo tanto afectaría la salud y sostenibilidad del suelo a largo plazo (Córdova et al., 2019).
Este problema podría superarse con aplicaciones de N inorgánico en el suelo bajo cubierta o incorporado, sin embargo, la concepción de está estrategia, también debe abordar la reducción que a menudo se observa en la FBN cuando se aplica el N inorgánico (Salvagiotti et al., 2008). Además, la cantidad de N fijada a través de la FBN se correlaciona negativamente con la absorción de N en el suelo, por lo que cualquier kg ha-1 extra de N absorbido de la solución del suelo puede implicar en una reducción de 1,4 kg ha-1 de N derivado de la FBN (Santachiara et al., 2017). Además, el uso de fertilizantes nitrogenados tiene un alto costo económico y medioambiental, lo que sin duda haría inviable el cultivo de la soja.
La fijación biológica de nitrógeno puede ser insuficiente para proporcionar suficiente N para altos rendimientos y seguir siendo susceptible a factores bióticos y abióticos, pero esun consenso el papel clave de la FBN para los avances en la producción de suelos y la sostenibilidad a largo plazo (Córdova et al., 2019).

Los hechos antes mencionados sugieren que existe una mayor probabilidad de aumentar la absorción total de N al aumentar la eficiencia de la FBN que al aumentar la absorción de la solución del suelo (Santachiara et al., 2017). En este contexto, el conocimiento del proceso y las técnicas que mejoran la fijación biológica de nitrógeno en los sistemas agrícolas intensivos en la soja es esencial para obtener altos rendimientos.
Inicialmente, es necesario entender que no existe obligación de establecer la simbiosis entre los dos organismos (cultivo de la soja y la bacteria fijadora de N), especialmente si el ambiente en el que se encuentran no presenta limitaciones en cuanto a la disponibilidad de nitrógeno (N) (Câmara, 2014) o presenta factores edafoclimáticos que están limitando el buen desarrollo de las bacterias. En este contexto, el suministro deficiente de nutrientes como molibdeno (Mo), cobalto (Co) y níquel (Ni) afectará negativamente la FBN de la soja. En vista de lo anterior, este material discutirá la importancia y la función del Ni en la BNF del cultivo de la soja.

Níquel

Para facilitar la comprensión del Ni en la agricultura y especialmente en el cultivo de la soja, este tema se subdividió en: Esencialidad del Ni, hidrogenasa y ureasa.

Esencialidad del níquel

El primer informe sobre la esencialidad del Ni para los seres vivos se realizó en 1975, en este estudio se demostró que la enzima ureasa tenía dos átomos de Ni en su composición estructural (Dixon et al., 1975). Aún así, ocho años después, en 1983, al estudiar el cultivo de la soja, en solución nutritiva, Eskew et al. (1983) verificaron la necrosis en el extremo de los foliolos debido a la acumulación de urea en concentraciones tóxicas, y sugirieron que el níquel, como componente de la ureasa, sería necesario para evitar la acumulación de concentraciones tóxicas de la urea. La esencialidad del Ni también fue sugerida por Eskew et al. (1984), estos autores afirmaron que el Ni juega un papel fundamental en las plantas superiores, y que la importancia es general debido a las similitudes en las respuestas de la soja y del frijol caupí a la deficiencia de Ni. Después de estos estudios pioneros, se descubrieron y estudiaron otras funciones del Ni y finalmente se añadió el Ni a la lista de elementos esenciales para las plantas.
El níquel es el elemento número 28 en la tabla periódica. Es un metal blanco plateado que se encuentra en varios estados de oxidación (varian de -1 a +4). Sin embargo, el estado de oxidación divalente (Ni2+) es el más común en los sistemas naturales (Denkhaus y Salnikow, 2002). Este elemento es esencial para las plantas, los animales y los seres humanos (Sreekanth et al., 2013).
La concentración de Ni en el suelo depende del material de origen y del proceso de formación (Ureta et al., 2005). Por otro lado, la disponibilidad de este elemento en el suelo se ve alterada principalmente por el pH, que puede verse alterado indirectamente por la saturación de bases (Macedo et al., 2020). En pH<6,5, los compuestos de Ni presentes en el suelo son relativamente solubles, mientras que el pH>6,7, la mayoría del Ni existe como hidróxidos insolubles (Sreekanth et al., 2013). En Brasil, no existe una determinación de los niveles críticos de Ni disponibles en los suelos agrícolas para impulsar la recomendación de fertilizantes. En consecuencia, no hay recomendación de un extractor específico para determinar la disponibilidad de Ni en el suelo (Rodak et al., 2015).
El Ni afecta a varios procesos fisiológicos en las plantas, lo que incluye las actividades enzimáticas y, por lo tanto, tiene un papel vital en una amplia gama de funciones morfológicas y fisiológicas, desde la germinación hasta la productividad (Van Assche y Glijsters, 1990; Sreekanth et al., 2013).

Entre los roles fundamentales que desempeña el Ni, destaca la importancia del Ni para la hidrogenasa y la ureasa.

Hidrogenasa

Durante el proceso de (FBN) se liberan subproductos, como el H2 (Polacco et al., 2013; Macedo et al., 2020). El H2 liberado en el proceso de la FBN estará libre en el ambiente nodular y puede, entre otras vías, competir con el N2 por la nitrogenasa, ya que esta enzima tiene sitios de unión que pueden recibir N2 y H2. Por lo tanto, el H2 liberado, al competir con el N2 por la nitrogenasa, puede disminuir la eficiencia del proceso de la FBN
(Figura 2).

Figura 2. Diagrama esquemático que demuestra las interacciones entre los nutrientes y la fijación biológica de nitrógeno (BNF) en la soja. Las flechas discontinuas en el floema y el xilema indican las direcciones de transporte, ya sea de agua (H2O) y nutriente (M) en el xilema o sacarosa (SC), ureidos (UR), alantoína (AL) y ácido alantoico (AAL) en el floema. Cuando son absorbidas por las raíces y transportadas al nudo, el agua se hidroliza para formar energía en forma de H+, y junto con el ATP de la respiración de sacarosa, proporcionan parte del sustrato para la FBN. Para la producción de ATP en el ciclo de Krebs (CK), se requiere la presencia de oxígeno (O2), que es transportado dentro del nódulo por la enzima leghemoglobina (Lb2). Esta enzima se sintetiza a partir de la cobalamina, que tiene como constituyente el elemento cobalto (Co). Con la entrada de nitrógeno (N2) en el bacterioide y en la presencia de ATP y H+, la enzima nitrogenasa rompe el triple enlace del N2, teniendo como producto dos moléculas de amoníaco (NH3) y H2. Este H2 puede competir con el N2 en la nitrogenasa, lo que puede causar la inactivación de esta enzima y
paralización de la FBN. Sin embargo, a través de la enzima hidrogenasa, que está compuesta por dos átomos de níquel, el H2 sufrirá una hidrogenación cuyo producto es dos H+, que serán usados como fuente de energía por la nitrogenasa. Cabe destacar que la nitrogenasa es una enzima que contiene molibdeno y hierro, elementos esenciales para su funcionamiento. Al descomponer el N2 en 2 NH3, estas dos moléculas de amoníaco se difunden fuera del bacterioide

donde se protonan a NH4+, que se convierte enzimáticamente en glutamina (GLU) y luego en ureidos (UR), alantoína (AL) y ácido alantoico (ALA) para ser transportados desde los nódulos a las hojas por el floema. Cabe mencionar que se estima que el 90% del nitrógeno de la FBN se transporta a la parte aérea en forma de ureidos, por esta razón, en este material abordaremos solo el metabolismo de los ureidos.

SC – Sacarosa; H2O – Agua; M – Nutrientes; Ni – Níquel; Co – Cobalto; Mo – Molibdeno; P – Fósforo; Fe – Hierro; N – Nitrógeno; Lb2 – Leghemoglobina; ATP – Adenosina trifosfato; CK – Ciclo de Krebs; UR – Ureidos; AL – Alantoína; AAL – Ácido alantoico; GLU – Glutamina; NH4+ – Amonio; NH3 – Amoníaco.

Otro camino posible, y quizás la mejor alternativa, es que el gas hidrógeno producido sea reoxidado por la enzima hidrogenasa, que recuperará una cierta cantidad de energía usada para la reducción previa por la nitrogenasa (González-Guerrero et al., 2014). Por lo tanto, la hidrogenasa cataliza la oxidación del hidrógeno molecular (H2) en protones y electrones (Brazzolotto et al., 2016). En consecuencia, la eficiencia de la fijación del nitrógeno depende inmediatamente de la actividad de la hidrogenasa, ya que la oxidación de hidrógeno proporciona la energía (ATP) necesaria para la reducción de N en el amoníaco. Este reciclaje de hidrógeno se ha asociado con aumentos significativos en la productividad de la plantas en ciertos sistemas simbióticos, como la soja (Albretch et al., 1979).
Sin embargo, la biosíntesis de la hidrogenasa es un proceso complejo que involucra al menos 15 proteínas accesorias, algunas de las cuales participan en la inserción de un átomo de níquel esencial en el sitio activo de la enzima (Ureta et al., 2005). En este contexto, el Ni es esencial para que se produzca el reciclaje del H2 (Freitas et al., 2018).
Por lo tanto, los bajos niveles de Ni disponibles en el suelo afectan la actividad de la hidrogenasa y, por lo tanto, el rendimiento de la FBN (Ureta et al., 2005). Los hechos mencionados anteriormente son destacados por Seregin y Kozhevnikova (2006), según estos autores, han demostrado que la deficiencia de Ni2+ disminuye la actividad de la hidrogenasa en los nódulos. Además, la presencia de Ni puede haber favorecido la actividad de la hidrogenasa, recuperando más H2, aumentando la eficiencia energética del proceso y, por lo tanto, optimizando la reducción de N2
y todo el proceso de la FBN. Por lo tanto, se considera que existe un “feedback” positivo entre
las actividades de la hidrogenasa y nitrogenasa para mantener la BNF constante y eficiente (Lavres et al., 2016).
Por lo tanto, una alternativa para proporcionar Ni a las plantas y, en consecuencia, mejorar el proceso de la BNF es a través del tratamiento de semillas (ST). Los resultados positivos para el uso de esta técnica ya han sido demostrados por Lavres et al. (2016), según estos autores, la presencia de Ni en las semillas estimuló el proceso de la BNF, probablemente debido a la mayor actividad de la enzima hidrogenasa. Además, Milléo et al. (2009), observó que el uso de Ni a través de TS o de una aplicación foliar en la fase vegetativa contribuyó positivamente de manera análoga para
la productividad del cultivo de la soja, pero el uso de este elemento en ambas fases aumentó la productividad en más de un 4,7%.

Ureasa

El principal medio de transporte de nitrógeno de los nódulos de soja para la parte aérea es en forma de ureidos (King y Purcell, 2005) (Figura 3). Sin embargo, cuando se incrementa la concentración de ureidos en la parte aérea de las plantas, la FBN disminuye significativamente, en el fenómeno conocido como el “efecto feedback” (King y Purcell, 2005; Fagan et al., 2007). En este contexto, una vez en las hojas, los ureidos pueden convertirse en urea, a través de la vía de degradación de la purinas, y luego ser metabolizados por la ureasa (Zrenner et al., 2006). La urea es un pequeño compuesto orgánico neutro, formado por dos moléculas de amoníaco (NH3) y una de dióxido de carbono (CO2) (Wang et al., 2008).
Sin embargo, la molécula de la urea, en su forma original, no puede ser usada por los organismos vivos y debe romperse para ser usada. Además, como se ha comentado anteriormente, la acumulación de ureidos y posteriormente de urea en las plantas es algo que debe evitarse, ya que, entre otros factores, disminuirá el proceso de la FBN por el “efecto feedback”. Por lo tanto, dos tipos diferentes de enzimas son capaces de degradar la urea: la urea amidolasa y la ureasa. Por lo tanto, la ureasa es fundamental para el uso de urea por los organismos vivos, y se estima que la degradación espontánea de la urea tiene una vida media de 520 años para generar amoníaco y carbamato, mientras que la vida media de la urea catalizada por la ureasa es de 20 milisegundos (ms) (Callahan et al., 2005). De tal manera que la ureasa es una de las hidrolasas conocidas más rápidas.

Figura 3. Diagrama esquemático que demuestra el metabolismo de los ureidos y la fotosíntesis en la hoja de la soja. Después de ser transportado desde los nódulos a las hojas, el níquel se usa para la síntesis de ureasa, la enzima responsable de romperr los ureidos (UR) en dos moléculas de amoníaco (NH3), que luego se metabolizarán para la síntesis de aminoácidos y otros productos que contienen nitrógeno. Sin embargo, la deficiencia de níquel puede causar la acumulación de ureidos en las hojas, lo que en consecuencia induce un efecto de feedback, es decir, la producción de señales para la nitrogenasa en los nódulos reduce la actividad, lo que en consecuencia reducirá la BNF. Por lo tanto, una nutrición adecuada con níquel es fundamental para que el proceso de la FBN y el metabolismo de los ureidos y el nitrógeno en la hoja permanezcan activos. Además, para la actividad de este proceso es fundamental
la producción de glucosa (GLY) por la fotosíntesis, que se usa para la producción de energía (ATP) y sacarosa (SC), que se transportará a las diferentes partes de la planta, como los nódulos, donde será una fuente de energía (ATP) para la FBN.
SC – Sacarosa; H2O – Agua; M – Nutrientes; Ni – Níquel; P – Fósforo; Fe – Hierro; N – Nitrógeno; ATP – Adenosina trifosfato; GLY – Glucosa; UR – Ureides; NH3 – Amoníaco; AA – aminoácidos; CO2 – Dióxido de carbono; O2 – Oxígeno.

La ureasa es responsable por la hidrólisis de la urea en dos moléculas de amoníaco y una de dióxido de carbono (Polacco et al., 2013). En las plantas, la ureasa desempeña un papel en la asimilación de urea derivada de ureidos o arginina (Polacco y Holland, 1993).
Esta enzima es una metaloenzima que usa iones de níquel en su sitio activo, que es esencial para su actividad (Dixon et al., 1975). Por lo tanto, consisten en un dímero de homotrímeros en el que cada sitio activo tiene dos iones de níquel, totalizando seis sitios activos por proteína activa (Dixon et al., 1975; Zambelli et al., 2011). En otras palabras, una subunidad de ureasa comprende dos iones Ni2+ cruciales para el proceso catalítico (Seregin
y Kozhevnikova, 2006).

El camino de la ureasa es, por tanto, otra reacción biológica en la que el Ni juega un papel importante (Freitas et al., 2018), y el aporte de este micronutriente, como se ha evidenciado anteriormente, es fundamental para el proceso de la BNF en el cultivo de la soja.
Al comprender la importancia del níquel en la fijación biológica del nitrógeno y el metabolismo del nitrógeno en las plantas, ICL hizo todo lo posible para desarrollar el Up! Seeds y Tônus, dos productos que proporcionan estímulos fisiológicos y nutrición, aportando en su composición
el micronutriente níquel.