Fijación de nitrógeno por leguminosas

Guía A-129
Revisada por Robert Flynn y John Idowu
College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences, New Mexico State University

Autores: Agrónomos de Extensión, Departamento de Ciencias Vegetales de Extensión, Universidad Estatal de Nuevo México. (Print friendly PDF)

Fijación biológica del nitrógeno

Aproximadamente el 80% de la atmósfera terrestre es gas nitrógeno (N2). Por desgracia, el N2 es inutilizable por la mayoría de los organismos vivos. Las plantas, los animales y los microorganismos pueden morir por falta de nitrógeno, rodeados de N2 que no pueden utilizar. Todos los organismos utilizan la forma amoniacal (NH3) del nitrógeno para fabricar aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos y otros componentes que contienen nitrógeno y que son necesarios para la vida.

La fijación biológica del nitrógeno es el proceso que transforma el N2 inerte en NH3 biológicamente útil. Este proceso está mediado en la naturaleza únicamente por bacterias rizobias fijadoras de N (Rhizobiaceae, α-Proteobacteria) (Sørensen y Sessitsch, 2007). Otras plantas se benefician de las bacterias fijadoras de N cuando éstas mueren y liberan nitrógeno al medio ambiente, o cuando las bacterias viven en estrecha asociación con la planta. En las leguminosas y algunas otras plantas, las bacterias viven en pequeños crecimientos en las raíces llamados nódulos. Dentro de estos nódulos, las bacterias fijan el nitrógeno y el NH3 que producen es absorbido por la planta. La fijación de nitrógeno por parte de las leguminosas es una asociación entre una bacteria y una planta.

La fijación biológica de nitrógeno puede adoptar muchas formas en la naturaleza, incluyendo las algas verdeazuladas (una bacteria), los líquenes y las bacterias del suelo de vida libre. Estos tipos de fijación de nitrógeno aportan cantidades significativas de NH3 a los ecosistemas naturales, pero no a la mayoría de los sistemas de cultivo, con la excepción del arroz con cáscara. Sus contribuciones son inferiores a 5 libras de nitrógeno por acre y año. Sin embargo, la fijación de nitrógeno por parte de las leguminosas puede estar en el rango de 25 a 75 libras de nitrógeno por acre al año en un ecosistema natural, y varios cientos de libras en un sistema de cultivo (Frankow-Lindberg y Dahlin, 2013; Guldan et al., 1996; Burton, 1972).

Figura 1. Una raíz de una planta leguminosa mostrando nódulos adheridos a las raíces.

Nódulos de leguminosas

La fijación de nitrógeno de las leguminosas comienza con la formación de un nódulo (Figura 1). Las bacterias de los rizobios del suelo invaden la raíz y se multiplican dentro de las células de su corteza. La planta suministra todos los nutrientes y la energía necesarios para las bacterias. Al cabo de una semana de la infección, los pequeños nódulos son visibles a simple vista (Figura 1). En el campo, los pequeños nódulos pueden verse entre 2 y 3 semanas después de la plantación, dependiendo de la especie de legumbre y de las condiciones de germinación. Cuando los nódulos son jóvenes y aún no fijan nitrógeno, suelen ser blancos o grises en su interior. A medida que los nódulos aumentan de tamaño, se vuelven gradualmente de color rosa o rojizo, lo que indica que la fijación de nitrógeno ha comenzado (Figura 2). El color rosa o rojo es causado por la leghemoglobina (similar a la hemoglobina de la sangre) que controla el flujo de oxígeno a las bacterias (Figura 2).

Los nódulos de muchas leguminosas perennes, como la alfalfa y el trébol, tienen forma de dedo. Los nódulos maduros pueden parecerse en realidad a una mano con una masa central (palma) y porciones sobresalientes (dedos), aunque el nódulo completo suele tener menos de 1/2 pulgada de diámetro (Figura 3). Los nódulos de las plantas perennes son de larga vida y fijan el nitrógeno durante toda la temporada de crecimiento, siempre que las condiciones sean favorables. La mayoría de los nódulos (10-50 por cada planta grande de alfalfa) estarán centrados alrededor de la raíz pivotante.

Los nódulos de las leguminosas anuales, como las judías, los cacahuetes y la soja, son redondos y pueden alcanzar el tamaño de un guisante grande. Los nódulos de las leguminosas anuales son de corta duración y se reemplazan constantemente durante la temporada de crecimiento. En el momento del llenado de la vaina, los nódulos de las leguminosas anuales pierden generalmente su capacidad de fijar el nitrógeno porque la planta alimenta la semilla en desarrollo en lugar del nódulo. Los frijoles generalmente tendrán menos de 100 nódulos por planta, la soja tendrá varios cientos por planta, y los cacahuetes pueden tener 1.000 o más nódulos en una planta bien desarrollada.

Figura 2. Nódulos de una leguminosa cortados para mostrar el color rosado-rojizo que indica un nódulo activo y sano.

Los nódulos de leguminosas que ya no fijan nitrógeno suelen volverse verdes y, de hecho, pueden ser desechados por la planta. Los nódulos rosados o rojos deben predominar en una legumbre en la mitad de la temporada de crecimiento. Si predominan los nódulos blancos, grises o verdes, se está produciendo poca fijación de nitrógeno como resultado de una cepa de rizobios ineficiente, una mala nutrición de la planta, el llenado de la vaina u otro estrés de la planta.

El nitrógeno fijado no es gratuito; la planta debe aportar una cantidad significativa de energía en forma de fotosintato (azúcares derivados de la fotosíntesis) y otros factores nutricionales para las bacterias. Sin embargo, algunas legumbres son más eficientes que otras. El caupí, por ejemplo, requiere 3,1 mg de carbono (C) para fijar 1 mg de N. El altramuz blanco, sin embargo, requiere 6,6 mg de C para fijar 1 mg de N (Layzell et al., 1979). Una planta de soja puede desviar hasta el 50% de su fotosintato al nódulo en lugar de a otras funciones de la planta cuando el nódulo está fijando activamente el nitrógeno (Warembourg et al., 1982).

Cualquier estrés que reduzca la actividad de la planta reducirá la fijación de nitrógeno. Factores como la temperatura y la disponibilidad de agua pueden no estar bajo el control del agricultor, pero el estrés nutricional (especialmente el fósforo, el potasio, el zinc, el hierro, el molibdeno y el cobalto) puede corregirse con fertilizantes. Cuando se corrige un estrés nutricional, la leguminosa responde directamente al nutriente e indirectamente a la mayor nutrición de nitrógeno resultante de una mayor fijación de nitrógeno. La fijación deficiente de nitrógeno en el campo puede corregirse fácilmente mediante inoculación, fertilización, riego u otras prácticas de manejo.

Figura 3. Nódulos desprendidos de las raíces de una planta leguminosa madura, con una regla centimétrica para la escala.

Eficiencia de fijación de nitrógeno y fertilización nitrogenada

Algunas leguminosas son mejores para fijar el nitrógeno que otras. Los frijoles comunes son malos fijadores (menos de 50 lb de N por acre) y fijan menos que sus necesidades de nitrógeno. El máximo rendimiento económico de los frijoles en Nuevo México requiere de 30-50 lb adicionales de nitrógeno fertilizante por acre. Sin embargo, si los frijoles no están nodulados, los rendimientos suelen ser bajos, independientemente de la cantidad de nitrógeno que se aplique. Los nódulos aparentemente ayudan a la planta a utilizar el nitrógeno del fertilizante de manera eficiente.

Otras leguminosas de grano, como los cacahuetes, los guisantes de vaca, la soja y las habas, son buenos fijadores de nitrógeno y fijarán todas sus necesidades de nitrógeno aparte del absorbido del suelo. Estas leguminosas pueden fijar hasta 250 libras de nitrógeno por acre y no suelen ser fertilizadas (Walley et al., 1996; Cash et al., 1981). De hecho, no suelen responder a los fertilizantes nitrogenados mientras sean capaces de fijar el nitrógeno. El fertilizante nitrogenado suele aplicarse en el momento de la siembra a estas leguminosas cuando se cultivan en suelos arenosos o con poca materia orgánica para suministrar nitrógeno a la planta antes de que comience la fijación de nitrógeno. Si se aplica nitrógeno, la dosis no debe superar las 15 libras por acre. Cuando se aplica una cantidad excesiva de nitrógeno, la leguminosa literalmente ralentiza o apaga el proceso de fijación de nitrógeno (Delwiche y Wijler, 1956). Es más fácil y consume menos energía para la planta absorber el nitrógeno del suelo que fijarlo del aire.

Legumbres perennes y forrajeras, como la alfalfa, el trébol dulce, los tréboles verdaderos y las vezas, pueden fijar entre 250 y 500 libras de nitrógeno por acre. Al igual que las leguminosas de grano anteriormente comentadas, normalmente no se fertilizan con nitrógeno. Ocasionalmente responden a la fertilización nitrogenada en la siembra o inmediatamente después de un corte cuando el suministro de fotosintatos es demasiado bajo para una adecuada fijación de nitrógeno (Aranjuelo et al., 2009). Sin embargo, la fijación de N2 continúa en presencia de altos niveles de N en el suelo, pero a niveles reducidos (Lamb et al., 1995). También es importante señalar que la alfalfa fijadora de N2 es mucho más capaz de eliminar el exceso de nitrógeno del suelo en comparación con las variedades de alfalfa no fijadoras de N2 (Russelle et al., 2007).

Retorno de nitrógeno al suelo y a otros cultivos

La mayor parte del nitrógeno fijado va directamente a la planta. Sin embargo, algo de nitrógeno puede ser «filtrado» o «transferido» al suelo (30-50 lb N/acre) para las plantas vecinas no leguminosas (Walley et al., 1996). La mayor parte del nitrógeno vuelve finalmente al suelo para las plantas vecinas cuando la vegetación (raíces, hojas, frutos) de la leguminosa muere y se descompone.

Cuando se cosecha el grano de un cultivo de leguminosas de grano, se devuelve poco nitrógeno para el siguiente cultivo. La mayor parte del nitrógeno fijado durante la temporada se retira del campo en forma de grano. Los tallos, las hojas y las raíces de las leguminosas de grano, como la soja y las judías, contienen aproximadamente la misma concentración de nitrógeno que los residuos de los cultivos no leguminosos. De hecho, el residuo de un cultivo de maíz contiene más nitrógeno que el residuo de un cultivo de frijoles simplemente porque el cultivo de maíz tiene más residuos después de la cosecha de maíz.

Un cultivo de leguminosas perennes o forrajeras sólo añade nitrógeno significativo para el siguiente cultivo si toda la biomasa (tallos, hojas, raíces) se incorpora al suelo. Si un forraje se corta y se retira del campo, se elimina la mayor parte del nitrógeno fijado por el forraje. Las raíces y las coronas añaden poco nitrógeno al suelo en comparación con la biomasa aérea.

Problemas de fijación de nitrógeno en el campo

Medir la fijación de nitrógeno en el campo es difícil. Sin embargo, un agricultor puede hacer algunas observaciones de campo que pueden ayudar a indicar si la fijación de nitrógeno es adecuada en algunas de las leguminosas comunes.

Si un campo recién plantado es de color verde claro y de crecimiento lento, sospeche que la fijación de nitrógeno es insuficiente. Esto se ve a menudo con los frijoles y la alfalfa. En un campo nuevo, la mala fijación se atribuye a menudo a la falta de rizobios nativos para nodular la leguminosa, pero la causa también puede ser la mala nutrición de la planta u otras tensiones de la planta que inhiben la fijación de nitrógeno. Los nódulos pequeños deben estar presentes a partir de las 2-3 semanas después de la germinación. Si los nódulos no están presentes, considere las siguientes opciones.

B.

C.

A.	Replantar utilizando semillas inoculadas con los rizobios correctos.
Intentar inocular las plantas en el campo a través del sistema de riego o por otros medios. Precaución: esta técnica no suele funcionar y es necesario el asesoramiento de un experto.
Considere la posibilidad de fertilizar con nitrógeno para satisfacer todas las necesidades de nitrógeno de las plantas. Esto puede no ser una opción para una leguminosa perenne como la alfalfa, especialmente si el campo se mantiene en alfalfa durante varios años. Además, algunas leguminosas utilizan el nitrógeno del suelo o del fertilizante de manera más eficiente si hay nódulos presentes.

Si hay pocos nódulos o son pequeños, puede que no haya suficiente nitrógeno en el suelo para la planta joven antes de que comience la fijación del nitrógeno. La planta generalmente crece fuera de esta condición, o se puede aplicar una pequeña cantidad de nitrógeno. Además, la ineficacia de los rizobios nativos puede dar lugar a una fijación deficiente del nitrógeno. Considere otros estreses del suelo que puedan estar inhibiendo el crecimiento de la planta, especialmente la nutrición de la planta y el estrés hídrico.

Si un cultivo establecido se vuelve deficiente en nitrógeno en la mitad de la temporada de crecimiento—cuando el crecimiento de la planta y las demandas de nitrógeno son mayores—la fijación de nitrógeno pobre o ineficiente podría ser la causa. Los nódulos deben ser claramente evidentes, con un tamaño y número por planta similar al descrito anteriormente, y deben ser de color rosa o rojo. Si sólo hay unos pocos nódulos, un número insuficiente de rizobios ha limitado la nodulación, o el estrés de la planta puede estar inhibiendo la fijación de nitrógeno. En este momento, se puede eliminar un estrés de la planta, pero es demasiado tarde para inocular si los nódulos son mayoritariamente verdes, grises o blancos, ya que los rizobios nativos son probablemente fijadores de nitrógeno ineficientes. La única opción puede ser aplicar el fertilizante nitrogenado en forma lateral en el cultivo actual e inocular suficientemente el siguiente cultivo de leguminosas. La Guía de Extensión A-130 de la Universidad Estatal de Nuevo México, Inoculación de Leguminosas (http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A130/welcome.html), describe cuándo y cómo inocular leguminosas.

Literatura citada

Aranjuelo, I., J.J. Irigoyen, S. Nogués, y M. Sánchez-Díaz. 2009. Efecto del CO2 elevado y de la disponibilidad de agua sobre el intercambio de gases y el desarrollo de nódulos en plantas de alfalfa fijadoras de N2. Environmental and Experimental Botany, 65, 18×26.

Burton, J.C. 1972. Nodulación y fijación simbiótica de nitrógeno. En C.H. Hanson (Ed.), Alfalfa Science and Technology (Monograph 15; pp. 229-246). Madison, WI: American Society of Agronomy.

Cash, D., B. Melton, J. Gregory, and L. Cihacek. 1981. Inoculantes de Rhizobium para alfalfa en Nuevo México . Las Cruces: New Mexico State University Agricultural Experiment Station.

Delwiche, C.C., y J. Wijler. 1956. Non-symbiotic nitrogen fixation in soil. Plant and Soil, 7, 113-129.

Frankow-Lindberg, B.E., y A.S. Dahlin. 2013. Fijación de N2, transferencia de N y rendimiento en comunidades de pastizales que incluyen una especie de leguminosa o no leguminosa de raíces profundas. Plant and Soil, 370, 567-581.

Guldan, S.J., C.A. Martin, J. Cueto-Wong, y R.L. Steiner. 1996. Intersiembra de leguminosas en chile: Productividad de las leguminosas y efecto en el rendimiento del chile. HortScience, 31, 1126-1128.

Lamb, J.F.S., D.K. Barnes, M.P. Russelle, C.P. Vance, G.H. Heichel, y K.I. Henjum. 1995. Alfalfas inefectivas y efectivamente noduladas demuestran que la fijación biológica de nitrógeno continúa con alta fertilización nitrogenada. Crop Science, 35, 153-157.

Layzell, D.B., R.M. Rainbird, C.A. Atkins, y J.S. Pate. 1979. Economy of photosynthate use in nodules of nitrogen-fixing legume. Plant Physiology, 64, 888-891.

Russelle, M.P., J.F.S. Lamb, N.B. Turyk, B.H. Shaw, y B. Pearson. 2007. Managing nitrogen contaminated soils. Agronomy Journal, 99, 738-746.

Sørensen, J., y A. Sessitsch. 2007. Plant-associated bacteria-Lifestyle and molecular interactions.
En J.D. van Elsas, J.K. Jansson, y J.T. Trevors (Eds.), Modern Soil Microbiology, 2nd ed., (pp. 211-236). (pp. 211-236). Boca Ratón, FL: CRC Press, Taylor and Francis Group.

Unkovich, M.J., J. Baldock, y M.B. Peoples. 2010. Perspectivas y problemas de los modelos lineales simples para estimar la fijación simbiótica de N2 por leguminosas de cultivos y pastos. Plant and Soil, 329, 75-89.

Walley, F.L., G.O. Tomm, A. Matus, A.E. Slinkard, y C. van Kessel. 1996. Allocation and cycling of nitrogen in an alfalfa-bromegrass sward. Agronomy Journal, 88, 834-843.

Warembourg, F.R., D. Montange, and R. Bardin. 1982. The simultaneous use of CO2 and N2 labelling techniques to study the carbon and nitrogen economy of legumes grown under natural conditions. Physiologia Plantarum, 56, 46-55.

Para más información sobre este tema, véanse las siguientes publicaciones:

CR-645: Producción de cacahuetes en Nuevo México
http://aces.nmsu.edu/pubs/_circulars/cr-645/welcome.html

A-130: Inoculación de Leguminosas
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A130/welcome.html

A-148: Entendiendo la Salud del Suelo para la Agricultura de Producción en Nuevo México
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A148/welcome.html

A-150: Principios de los cultivos de cobertura para sistemas agrícolas áridos y semiáridos
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A150/welcome.html

Todas las publicaciones de Agronomía:
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/

Autores originales: W.C. Lindemann, microbiólogo del suelo; y C.R. Glover, agrónomo de extensión.