Ciclo dell’azoto

Azotofissazione Piante, animali e la maggioranza dei microrganismi possono utilizzare solo azoto combinato Processi di combinazione dell’azoto: Fissazione biologica N2 + 6 e- => 2NH3 Processo fissazione industriale (circa 14.000 Kcal per Kg di azoto) Attività vulcanica, radiazioni ionizzanti, scariche elettriche

Fissazione abiotica costituisce solo il 15-20% del totale Sono capaci di fissare solo i microrganismi procarioti (circa 150 X 106 t N all’anno) La capacità di azotofissare è distribuita tra microrganismi fisiologicamente molto diversi La quantità di azoto fissato è molto variabile

Azotofissazione N2 + 6 e- + 6 H+ + energia => 2NH3 Per ogni elettrone vengono spese due molecole di ATP per cui la reazione completa dovrebbe essere N2 + 6 e- + 6 H+ + 12 ATP => 2NH3+12 ADP+12 Pi In realtà è 

In realtà le reazione è la seguente Perché? N2 + 8 e- + 8 H+ + 16 ATP => 2NH3+H2+16 ADP+16 Pi Perché? Non tutto il potere riducente viene utilizzato per la riduzione dell’azoto, si forma infatti H2 che sembra una fase obbligatoria per la reazione di fissazione dell’azoto

Ferro-molibdeno proteina Ferro proteina Componente II Ferro-molibdeno proteina Componente I Azoto molecolare Acetilene Protoni 15 mg di N per g di glucosio

Meccanismo di azione della nitrogenasi Componente II Componente I

Proprietà della nitrogenasi Dinitrogenasi Componente I Dinitrogenasi riduttasi Componente II Peso molecolare 200-220000 50-65000 Subunita 4 2 Mo (atomi-molecola) Fe (atomi-molecola) 24-36 Zolfo non proteico 20-36 Sensibilità all’O2 (tempo necessario per ridurre l’attività enzimatica del 50%) 10 minuti 0,5-0,75 secondi

Ulteriori sistemi di difesa della nitrogenasi Produzione di esopolisaccaridi Differenziamento di vescicole (Frankia) Differenziamento temporale (cianobatteri)

Saggio di riduzione dell’acetilene

Azotofissatori liberi

Tasso di fissazione dell’azoto

Fissazione simbiontica Simbiosi rizobi-leguminose Piante attinorriziche-batteri genere Frankia Azolla - Anabaena (felce-cianobatterio) Licheni (funghi-cianobatteri) Simbiosi delle Cicas-cianobatteri

Simbiosi Rizobi-leguminose È stato stimato che più della metà dell’azoto fissato biologicamente è dovuto a questa simbiosi I rizobi sono: Batteri Gram negativi Aerobi Generalmente mobili Generi: Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Azorhizobium……….

Specificità della simbiosi Caratteristiche della pianta e del batterio che facilitano il contatto e l’adesione delle cellule del rizobio alla radice ospite Gruppi di infezione crociata Riconoscimento da parte dei due simbionti Processo di invasione della radice e sviluppo di noduli infettivi

Dialogo molecolare tra rizobi e leguminose

polisaccaridi

Formazione del nodulo batteroide

Eventi che portano alla formazione del nodulo ed all’azotofissazione nelle leguminose Attacco del rizobio alla radice Incremento del numero dei rizobi (alcune ore) Ripiegamento del pelo radicale (entro 5 ore) Filo di infezione visibile (entro 3 giorni) Nodulo visibile (entro 5-12 giorni) Fissazione evidente in piante di 15 giorni

I noduli sono unilobati e annuali Sinorhizobium meliloti

1 2 3 1 medica 2 soia 3 arachide

Infettività e effettività Infettività: capacità di un rizobio di dare origine ad un nodulo Effettività: capacità di un nodulo di fissare azoto Noduli efficaci ed inefficaci

Fattori ambientali Disponibilità di fonti di energia Acidità Temperatura Nutrienti minerali (azoto combinato, fosforo, molibdeno, ferro)

Inoculazione Necessità di inoculazione Selezione dei ceppi Inoculanti ed inoculazione Inoculazione dei semi Pellettizzazione Inoculazione del suolo Inoculazione al momento della semina Competitività e persistenza dei ceppi

Simbiosi Frankia-piante attinorriziche Con il termine attinorriziche si indicano le simbiosi che si instaurano tra un attinomicete del genere Frankia e le radici di piante superiori non leguminose Le simbiosi attinorizziche in natura hanno un’elevata attività azotofissatrice con guadagni in azoto fino a 200 Kg per ettaro per anno. Genere Frankia: Batteri, Gram positivi Micelio ramificato e settato Differenzia vescicole (sede dell’azotofissazione) e sporangi sia in coltura pura che in simbiosi Abilità di infettare radici di piante superiori (non leguminose) dando origine a noduli Possono essere isolati dal nodulo ma non dal suolo Spettro di infettività : alcuni sono molto specifici mentre altri hanno ampio spettro di infettività

Caratteristiche delle simbiosi attinorriziche La struttura tipica della simbiosi attinorrizica è come per la simbiosi rizobi-leguminose il nodulo radicale che permettono il riconoscimento tra i due partner (penetrazione attraverso i peli radicali o lamella mediana) Come nella simbiosi rizobi-leguminose non tutti i noduli che si originano sono effettivi La presenza di noduli effettivi è indicata dal differenziamento da parte del microsimbionte di numerose vescicole, sede dell’azotofissazione (la presenza di noduli è una condizione necessaria ma non sufficiente) I noduli radicali sono perenni e hanno struttura coralloide, sono multilobati Le attinorizze seguono il ciclo della pianta (durante l’inverno le vescicole del microsimbionte degenerano e l’attività azotofissatrice si riduce o cessa Ad ogni ripresa vegetativa con l’accrescersi del meristema del nodulo si attiva la proliferazione ifale nei tessuti neoformati, la differenziazione di nuove vescicole e la ripresa dell’attività azotofissatrice

Ecologia delle piante attinorriziche Le piante attinorriziche sono distribuite in 24 generi di 8 famiglie di angiosperme tassonomicamente distanti. Sono tutte dicotiledoni perenni arboree o arbustive, eccetto il genere Datisca che presenta fusto erbaceo In Italia ritroviamo: Alnus Coryaria myrtifolia Dryas octopetale e Hippophae rhamoides (olivello spinoso) Ceanothus, Casuarina ed Elaeagnus diffusi a scopo ornamentale

Semenzali di Alnus glutinosa (ontano nero) allevati senza azoto

Ontano

Applicazioni Interventi agroforestali (spesso usate in consociazione, sia con conifere che latifoglie) Ripristini ambientali di suoli degradati (arricchiscono in azoto), anomali, privi di azoto, sabbiosi o desertici, stabilizzazone delle dune (molto importanti sono le relazioni con i funghi micorrizici) Piante colonizzatrici e pioniere nei primi stadi di successioni vegetali in ambienti colpiti da eventi catastrofici come incendi alluvioni, frane etc.

Tecniche di inoculazione Verifica della presenza di ceppi di Frankia capaci di sviluppare la simbiosi Inoculazione: con colture pure con suolo rizosferico o noduli

Pochi mg di biomassa microbica per pianta Colture pure Utilizzo di isolati di Frankia con nota capacità infettiva ed effettiva verso determinate piante ospiti è una condizione essenziale per il successo dell’inoculazione Utilizzo di sospensioni cellulari partendo da colture pure cresciute in laboratorio Utilizzo di inoculi commerciali Pochi mg di biomassa microbica per pianta

Suolo rizoferico Utilizzo di suolo proveniente dalla rizosfera di piante attinorriziche Uso di piante trappola

Inoculazione e nodulazione in vivaio Ridurre al minimo la fertilizzazione azotata Inoculo contemporaneo con funghi micorrizici

Coralloid Root Nodules of a Cycad cycas