Fissazione dell’azoto dai legumi

Guida A-129
Revisionata da Robert Flynn e John Idowu
College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences, New Mexico State University

Autori: Agronomi di estensione, Dipartimento di Scienze Vegetali di Estensione, New Mexico State University. (Print friendly PDF)

Fissazione biologica dell’azoto

Circa l’80% dell’atmosfera terrestre è azoto gassoso (N2). Sfortunatamente, l’N2 è inutilizzabile dalla maggior parte degli organismi viventi. Piante, animali e microrganismi possono morire per carenza di azoto, circondati da N2 che non possono usare. Tutti gli organismi usano la forma di ammoniaca (NH3) dell’azoto per produrre aminoacidi, proteine, acidi nucleici, e altri componenti contenenti azoto necessari alla vita.

La fissazione biologica dell’azoto è il processo che cambia l’inerte N2 in NH3 biologicamente utile. Questo processo è mediato in natura solo dai batteri rizobici fissatori di N (Rhizobiaceae, α-Proteobatteri) (Sørensen e Sessitsch, 2007). Altre piante beneficiano dei batteri fissatori di N quando i batteri muoiono e rilasciano azoto nell’ambiente, o quando i batteri vivono in stretta associazione con la pianta. Nei legumi e in poche altre piante, i batteri vivono in piccole crescite sulle radici chiamate noduli. All’interno di questi noduli, i batteri fissano l’azoto e l’NH3 che producono viene assorbito dalla pianta. La fissazione dell’azoto da parte dei legumi è una partnership tra un batterio e una pianta.

La fissazione biologica dell’azoto può assumere molte forme in natura, comprese le alghe blu-verdi (un batterio), i licheni e i batteri del suolo a vita libera. Questi tipi di fissazione dell’azoto contribuiscono a quantità significative di NH3 agli ecosistemi naturali ma non alla maggior parte dei sistemi di coltivazione, ad eccezione del risone. I loro contributi sono meno di 5 libbre di azoto per acro all’anno. Tuttavia, la fissazione dell’azoto da parte dei legumi può essere dell’ordine di 25-75 libbre di azoto per acro all’anno in un ecosistema naturale, e diverse centinaia di libbre in un sistema di coltivazione (Frankow-Lindberg e Dahlin, 2013; Guldan et al., 1996; Burton, 1972).

Figura 1. Una radice di una pianta di legumi che mostra i noduli attaccati alle radici.

Noduli di legumi

La fissazione dell’azoto nei legumi inizia con la formazione di un nodulo (Figura 1). I batteri rizobi presenti nel suolo invadono la radice e si moltiplicano nelle sue cellule della corteccia. La pianta fornisce tutti i nutrienti e l’energia necessari ai batteri. Entro una settimana dall’infezione, piccoli noduli sono visibili a occhio nudo (Figura 1). Nel campo, i piccoli noduli possono essere visti 2-3 settimane dopo la semina, a seconda delle specie di legumi e delle condizioni di germinazione. Quando i noduli sono giovani e non fissano ancora l’azoto, sono solitamente bianchi o grigi all’interno. Man mano che i noduli crescono in dimensioni, diventano gradualmente di colore rosa o rossastro, indicando che la fissazione dell’azoto è iniziata (Figura 2). Il colore rosa o rosso è causato dalla emoglobina delle gambe (simile all’emoglobina nel sangue) che controlla il flusso di ossigeno ai batteri (Figura 2).

I noduli di molte leguminose perenni, come l’erba medica e il trifoglio, sono di forma simile a un dito. I noduli maturi possono effettivamente assomigliare a una mano con una massa centrale (palmo) e porzioni sporgenti (dita), anche se l’intero nodulo è generalmente meno di 1/2 pollice di diametro (Figura 3). I noduli sulle piante perenni sono di lunga durata e fissano l’azoto per tutta la stagione di crescita, purché le condizioni siano favorevoli. La maggior parte dei noduli (10-50 per grande pianta di erba medica) saranno centrati intorno alla radice a fittone.

I noduli delle leguminose annuali, come fagioli, arachidi e soia, sono rotondi e possono raggiungere le dimensioni di un grande pisello. I noduli delle annuali hanno vita breve e vengono sostituiti costantemente durante la stagione della crescita. Al momento del riempimento del baccello, i noduli delle leguminose annuali perdono generalmente la loro capacità di fissare l’azoto perché la pianta nutre il seme in sviluppo piuttosto che il nodulo. I fagioli avranno generalmente meno di 100 noduli per pianta, la soia ne avrà diverse centinaia per pianta, e le arachidi possono avere 1.000 o più noduli su una pianta ben sviluppata.

Figura 2. Noduli di un legume aperti per mostrare il colore rosa-rossastro che indica un nodulo attivo e sano.

I noduli di legumi che non fissano più l’azoto di solito diventano verdi e possono effettivamente essere scartati dalla pianta. I noduli rosa o rossi dovrebbero predominare su un legume a metà della stagione di crescita. Se predominano i noduli bianchi, grigi o verdi, si sta verificando una scarsa fissazione dell’azoto a causa di un ceppo di rizobio inefficiente, una cattiva nutrizione della pianta, il riempimento dei baccelli o altri stress della pianta.

L’azoto fissato non è gratuito; la pianta deve contribuire con una quantità significativa di energia sotto forma di fotosintato (zuccheri derivati dalla fotosintesi) e altri fattori nutrizionali per i batteri. Tuttavia, alcuni legumi sono più efficienti di altri. Il Cowpea, per esempio, richiede 3,1 mg di carbonio (C) per fissare 1 mg di N. Il lupino bianco, invece, richiede 6,6 mg di C per fissare 1 mg di N (Layzell et al., 1979). Una pianta di soia può deviare fino al 50% del suo fotosintetato al nodulo invece che ad altre funzioni della pianta quando il nodulo sta fissando attivamente l’azoto (Warembourg et al., 1982). Fattori come la temperatura e la disponibilità d’acqua possono non essere sotto il controllo dell’agricoltore, ma lo stress nutrizionale (specialmente fosforo, potassio, zinco, ferro, molibdeno e cobalto) può essere corretto con i fertilizzanti. Quando uno stress nutrizionale viene corretto, il legume risponde direttamente alla sostanza nutritiva e indirettamente all’aumento della nutrizione azotata risultante da una maggiore fissazione dell’azoto. La scarsa fissazione dell’azoto nel campo può essere facilmente corretta mediante inoculazione, fertilizzazione, irrigazione o altre pratiche di gestione.

Figura 3. Noduli staccati dalle radici di una pianta di legumi matura, con un righello centimetrato per la scala.

Efficienza di fissazione dell’azoto e fertilizzazione azotata

Alcuni legumi sono migliori di altri nel fissare l’azoto. I fagioli comuni sono poveri fissatori (meno di 50 libbre di N per acro) e fissano meno del loro fabbisogno di azoto. La massima resa economica per i fagioli nel New Mexico richiede un ulteriore 30-50 lb di azoto da fertilizzante per acro. Tuttavia, se i fagioli non sono nodulati, le rese rimangono spesso basse, indipendentemente dalla quantità di azoto applicata. I noduli apparentemente aiutano la pianta a utilizzare l’azoto del fertilizzante in modo efficiente.

Altri legumi da granella, come arachidi, piselli, soia e fave, sono buoni fissatori di azoto e fissano tutte le loro esigenze di azoto oltre a quello assorbito dal suolo. Questi legumi possono fissare fino a 250 libbre di azoto per acro e di solito non vengono fertilizzati (Walley et al., 1996; Cash et al., 1981). Infatti, di solito non rispondono ai fertilizzanti azotati finché sono capaci di fissare l’azoto. Il fertilizzante azotato è solitamente applicato alla piantagione a queste leguminose quando sono coltivate su terreni sabbiosi o a bassa materia organica per fornire azoto alla pianta prima che inizi la fissazione dell’azoto. Se l’azoto viene applicato, il tasso non dovrebbe superare le 15 libbre per acro. Quando viene applicata una quantità eccessiva di azoto, il legume letteralmente rallenta o spegne il processo di fissazione dell’azoto (Delwiche e Wijler, 1956). È più facile e meno dispendioso per la pianta assorbire l’azoto dal suolo che fissarlo dall’aria.

Le leguminose perenni e da foraggio, come l’erba medica, il trifoglio dolce, i trifogli veri e le vecce, possono fissare 250-500 lb di azoto per acro. Come le leguminose da granella discusse in precedenza, non vengono normalmente fertilizzate con l’azoto. Occasionalmente rispondono al fertilizzante azotato alla piantagione o subito dopo un taglio quando la fornitura di fotosintati è troppo bassa per un’adeguata fissazione dell’azoto (Aranjuelo et al., 2009). Tuttavia, la fissazione di N2 continua in presenza di alti livelli di N nel suolo, ma a livelli ridotti (Lamb et al., 1995). È anche importante notare che l’erba medica che fissa l’N2 è molto più capace di rimuovere l’azoto in eccesso dal suolo rispetto alle varietà di erba medica che non fissano l’N2 (Russelle et al., 2007).

Ritorno di azoto al suolo e ad altre colture

Quasi tutto l’azoto fissato va direttamente alla pianta. Tuttavia, un po’ di azoto può essere “disperso” o “trasferito” nel suolo (30-50 lb N/acro) per le piante vicine non leguminose (Walley et al., 1996). La maggior parte dell’azoto alla fine ritorna al suolo per le piante vicine quando la vegetazione (radici, foglie, frutti) del legume muore e si decompone.

Quando il grano di una coltura di legumi da granella viene raccolto, poco azoto viene restituito per la coltura successiva. La maggior parte dell’azoto fissato durante la stagione viene rimosso dal campo come grano. Gli steli, le foglie e le radici dei legumi da granella, come la soia e i fagioli, contengono circa la stessa concentrazione di azoto che si trova nei residui di colture non leguminose. Infatti, il residuo di una coltura di mais contiene più azoto del residuo di una coltura di fagioli semplicemente perché la coltura di mais ha più residui dopo la raccolta del mais.

Una coltura di leguminose perenni o da foraggio aggiunge azoto significativo per la coltura successiva solo se l’intera biomassa (steli, foglie, radici) è incorporata nel suolo. Se un foraggio viene tagliato e rimosso dal campo, la maggior parte dell’azoto fissato dal foraggio viene rimosso. Le radici e le corone aggiungono poco azoto al suolo rispetto alla biomassa fuori terra.

Problemi di fissazione dell’azoto nel campo

Misurare la fissazione dell’azoto nel campo è difficile. Tuttavia, un coltivatore può fare alcune osservazioni sul campo che possono aiutare a indicare se la fissazione dell’azoto è adeguata in alcuni dei legumi comuni.

Se un campo appena piantato è verde chiaro e cresce lentamente, sospetta una fissazione insufficiente dell’azoto. Questo si vede spesso con i fagioli e l’erba medica. In un campo nuovo, la scarsa fissazione è spesso attribuita alla mancanza di rizobio nativo per nodulare il legume, ma la causa può anche essere la scarsa nutrizione della pianta o altri stress della pianta che inibiscono la fissazione dell’azoto. Piccoli noduli dovrebbero essere presenti da 2-3 settimane dopo la germinazione. Se i noduli non sono presenti, considerare le seguenti opzioni.

A.	Ripiantare usando semi inoculati con i rizobio corretti.
B.	Tentare di inoculare le piante nel campo attraverso il sistema di irrigazione o con altri mezzi. Attenzione: questa tecnica spesso non funziona ed è necessaria la consulenza di un esperto.
C.	Considera la fertilizzazione con azoto per soddisfare tutte le esigenze di azoto delle piante. Questa potrebbe non essere un’opzione per un legume perenne come l’erba medica, specialmente se il campo è tenuto in erba medica per diversi anni. Inoltre, alcuni legumi utilizzano l’azoto del suolo o del fertilizzante in modo più efficiente se sono presenti i noduli.

Se sono presenti pochi o piccoli noduli, una quantità sufficiente di azoto del suolo può non essere disponibile per la giovane pianta prima che inizi la fissazione dell’azoto. La pianta di solito cresce fuori da questa condizione, o una piccola quantità di azoto può essere applicata. Inoltre, l’inefficienza dei rizobidi autoctoni può provocare una scarsa fissazione dell’azoto. Considerare altri stress del suolo che possono inibire la crescita delle piante, in particolare la nutrizione delle piante e lo stress idrico.

Se una coltura stabilita diventa carente di azoto a metà della stagione di crescita—quando la crescita delle piante e le richieste di azoto sono maggiori—la causa potrebbe essere una scarsa o inefficiente fissazione di azoto. I noduli dovrebbero essere chiaramente evidenti, circa la dimensione e il numero per pianta come descritto in precedenza, e dovrebbero essere di colore rosa o rosso. Se sono presenti solo pochi noduli, un numero insufficiente di rizobie ha limitato la nodulazione, o gli stress della pianta potrebbero inibire la fissazione dell’azoto. In questo momento, si può essere in grado di rimuovere uno stress della pianta, ma è troppo tardi per inoculare se i noduli sono per lo più verdi, grigi o bianchi, poiché i rizobi nativi sono probabilmente dei fissatori di azoto inefficienti. L’unica scelta può essere quella di applicare fertilizzante azotato sidedressed sulla coltura attuale e di inoculare sufficientemente la prossima coltura di legumi. New Mexico State University Extension Guide A-130, Inoculazione di legumi (http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A130/welcome.html), descrive quando e come inoculare i legumi.

Letteratura citata

Aranjuelo, I., J.J. Irigoyen, S. Nogués, e M. Sánchez-Díaz. 2009. CO2 elevata ed effetto della disponibilità di acqua sullo scambio di gas e sullo sviluppo dei noduli in piante di erba medica che fissano l’N2. Botanica ambientale e sperimentale, 65, 18×26.

Burton, J.C. 1972. Nodulazione e fissazione simbiotica dell’azoto. In 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. Inoculanti Rhizobium per l’erba medica nel Nuovo Messico. Las Cruces: New Mexico State University Agricultural Experiment Station.

Delwiche, C.C., and J. Wijler. 1956. Fissazione non simbiotica dell’azoto nel suolo. Plant and Soil, 7, 113-129.

Frankow-Lindberg, B.E., and A.S. Dahlin. 2013. Fissazione di N2, trasferimento di N e resa in comunità di prati che includono una specie di legumi o non legumi con radici profonde. Plant and Soil, 370, 567-581.

Guldan, S.J., C.A. Martin, J. Cueto-Wong, and R.L. Steiner. 1996. Interseeding legumi in cile: Produttività delle leguminose ed effetto sulla resa del cile. HortScience, 31, 1126-1128.

Lamb, J.F.S., D.K. Barnes, M.P. Russelle, C.P. Vance, G.H. Heichel, e K.I. Henjum. 1995. Le alfalfa inefficacemente ed efficacemente nodulate dimostrano che la fissazione biologica dell’azoto continua con l’alta fertilizzazione dell’azoto. Crop Science, 35, 153-157.

Layzell, D.B., R.M. Rainbird, C.A. Atkins, e J.S. Pate. 1979. Economia dell’uso del fotosintato nei noduli di legumi che fissano l’azoto. Fisiologia vegetale, 64, 888-891.

Russelle, M.P., J.F.S. Lamb, N.B. Turyk, B.H. Shaw, e B. Pearson. 2007. Gestione di terreni contaminati da azoto. Agronomy Journal, 99, 738-746.

Sørensen, J., e A. Sessitsch. 2007. Batteri associati alle piante: stile di vita e interazioni molecolari.
In J.D. van Elsas, J.K. Jansson, and J.T. Trevors (Eds.), Modern Soil Microbiology, 2nd ed. (pp. 211-236). Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor and Francis Group.

Unkovich, M.J., J. Baldock, and M.B. Peoples. 2010. Prospettive e problemi dei modelli lineari semplici per la stima della fissazione simbiotica di N2 da parte dei legumi da coltura e da pascolo. Plant and Soil, 329, 75-89.

Walley, F.L., G.O. Tomm, A. Matus, A.E. Slinkard, e C. van Kessel. 1996. Allocazione e ciclismo dell’azoto in un prato di erba medica e erba medica. Agronomy Journal, 88, 834-843.

Warembourg, F.R., D. Montange, e R. Bardin. 1982. L’uso simultaneo di tecniche di etichettatura di CO2 e N2 per studiare l’economia di carbonio e azoto dei legumi coltivati in condizioni naturali. Physiologia Plantarum, 56, 46-55.

Per ulteriori informazioni su questo argomento, vedere le seguenti pubblicazioni:

CR-645: New Mexico Peanut Production
http://aces.nmsu.edu/pubs/_circulars/cr-645/welcome.html

A-130: Inoculazione di legumi
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A130/welcome.html

A-148: Capire la salute del suolo per l’agricoltura di produzione nel Nuovo Messico
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A148/welcome.html

A-150: Principles of Cover Cropping for Arid and Semi-arid Farming Systems
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A150/welcome.html

Tutte le pubblicazioni di Agronomia:
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/

Autori originali: W.C. Lindemann, microbiologo del suolo; e C.R. Glover, agronomo di estensione.