Fixação de Nitrogénio por Leguminosas

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

Autores: Agrónomos de Extensão, Departamento de Extensão de Ciências Vegetais, Universidade do Estado do Novo México. (Imprimir PDF)

Fixação Biológica de Nitrogénio

Atmosfera da Terra é constituída por cerca de 80% de gás nitrogénio (N2). Infelizmente, o N2 é inutilizável pela maioria dos organismos vivos. Plantas, animais e microrganismos podem morrer de carência de azoto, rodeados por N2 que não podem utilizar. Todos os organismos utilizam a forma de amónia (NH3) de azoto para fabricar aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, e outros componentes contendo azoto necessários à vida.

A fixação biológica de azoto é o processo que transforma o N2 inerte em NH3 biologicamente útil. Este processo é mediado na natureza apenas pela bactéria N-fixing rhizobiaceae (Rhizobiaceae, α-Proteobacteria) (Sørensen e Sessitsch, 2007). Outras plantas beneficiam das bactérias fixadoras de N quando as bactérias morrem e libertam azoto para o ambiente, ou quando as bactérias vivem em estreita associação com a planta. Em leguminosas e algumas outras plantas, as bactérias vivem em pequenos crescimentos nas raízes chamados nódulos. Dentro destes nódulos, a fixação de nitrogénio é feita pelas bactérias, e o NH3 que elas produzem é absorvido pela planta. A fixação de azoto pelas leguminosas é uma parceria entre uma bactéria e uma planta.

A fixação biológica de azoto pode assumir muitas formas na natureza, incluindo algas azuis-esverdeadas (uma bactéria), líquenes, e bactérias do solo que vivem em liberdade. Estes tipos de fixação de azoto contribuem em quantidades significativas de NH3 para os ecossistemas naturais, mas não para a maioria dos sistemas de cultivo, com excepção do arroz paddy. As suas contribuições são inferiores a 5 lb de azoto por acre por ano. No entanto, a fixação de azoto por leguminosas pode estar na gama de 25-75 lb de azoto por acre por ano num ecossistema natural, e várias centenas de libras num sistema de cultivo (Frankow-Lindberg e Dahlin, 2013; Guldan et al., 1996; Burton, 1972).

Figure 1. Uma raiz de planta leguminosa mostrando nódulos ligados às raízes.

Nódulos de leguminosa

A fixação de nitrogénio de leguminosa começa com a formação de um nódulo (Figura 1). As bactérias rizóbias no solo invadem a raiz e multiplicam-se dentro das suas células do córtex. A planta fornece todos os nutrientes e energia necessários para as bactérias. Uma semana após a infecção, pequenos nódulos são visíveis a olho nu (Figura 1). No campo, os pequenos nódulos podem ser vistos 2-3 semanas após a plantação, dependendo das espécies de leguminosas e das condições de germinação. Quando os nódulos são jovens e ainda não fixam nitrogénio, são geralmente brancos ou cinzentos no interior. À medida que os nódulos crescem em tamanho, tornam-se gradualmente rosados ou avermelhados, indicando que a fixação de azoto já começou (figura 2). A cor rosa ou vermelha é causada pela leghemoglobina (semelhante à hemoglobina no sangue) que controla o fluxo de oxigénio para as bactérias (Figura 2).

Nódulos em muitas leguminosas perenes, tais como alfafa e trevo, têm a forma de um dedo. Os nódulos maduros podem realmente assemelhar-se a uma mão com uma massa central (palma da mão) e porções salientes (dedos), embora o nódulo inteiro tenha geralmente menos de 1/2 polegada de diâmetro (Figura 3). Os nódulos em perenes são de longa duração e fixam o azoto durante todo o período de crescimento, desde que as condições sejam favoráveis. A maioria dos nódulos (10-50 por planta de alfafa grande) será centrada em torno da raiz da torneira.

Nódulos em leguminosas anuais, tais como feijões, amendoins e soja, são redondos e podem atingir o tamanho de uma ervilha grande. Os nódulos sobre leguminosas anuais são de curta duração e serão constantemente substituídos durante a época de crescimento. No momento do enchimento da vagem, os nódulos nas leguminosas anuais perdem geralmente a sua capacidade de fixar nitrogénio porque a planta alimenta a semente em desenvolvimento em vez do nódulo. Os feijões terão geralmente menos de 100 nódulos por planta, os grãos de soja terão várias centenas por planta, e os amendoins podem ter 1.000 ou mais nódulos numa planta bem desenvolvida.

Figure 2. Nódulos de uma leguminosa cortada aberta para mostrar a cor rosa-avermelhada que indica um nódulo activo e saudável.

Nódulos de leguminosa que já não fixam nitrogénio, geralmente tornam-se verdes e podem na realidade ser eliminados pela planta. Nódulos rosados ou vermelhos devem predominar numa leguminosa a meio da época de crescimento. Se os nódulos brancos, cinzentos ou verdes predominarem, pouca fixação de azoto está a ocorrer como resultado de uma estirpe ineficiente de rizóbios, má nutrição vegetal, enchimento de vagens, ou outro stress vegetal.

O azoto fixo não é livre; a planta deve contribuir com uma quantidade significativa de energia sob a forma de fotossíntese (açúcares derivados da fotossíntese) e outros factores nutricionais para as bactérias. No entanto, algumas leguminosas são mais eficientes do que outras. O feijão-frade, por exemplo, requer 3,1 mg de carbono (C) para fixar 1 mg de N. O tremoço branco, contudo, requer 6,6 mg de C para fixar 1 mg de N (Layzell et al., 1979). Uma planta de soja pode desviar até 50% do seu fotossinteto para o nódulo em vez de para outras funções vegetais quando o nódulo está a fixar activamente nitrogénio (Warembourg et al., 1982).

Ainda stress que reduz a actividade da planta reduzirá a fixação de nitrogénio. Factores como a temperatura e disponibilidade de água podem não estar sob o controlo do agricultor, mas o stress nutricional (especialmente fósforo, potássio, zinco, ferro, molibdénio e cobalto) pode ser corrigido com fertilizantes. Quando um stress nutricional é corrigido, a leguminosa responde directamente ao nutriente e indirectamente ao aumento da nutrição nitrogenada resultante de uma maior fixação de azoto. A má fixação de nitrogénio no campo pode ser facilmente corrigida por inoculação, fertilização, irrigação, ou outras práticas de gestão.

Figure 3. Nódulos descolados das raízes de uma planta leguminosa madura, com uma régua de um centímetro para escala.

Eficácia de fixação de nitrogénio e fertilização com nitrogénio

Algumas leguminosas são melhores na fixação de nitrogénio do que outras. Os feijões comuns são fixadores pobres (menos de 50 lb N por acre) e fixam menos do que as suas necessidades de nitrogénio. O rendimento económico máximo do feijão no Novo México requer um adicional de 30-50 lb de nitrogénio fertilizante por acre. No entanto, se o feijão não for nodulado, os rendimentos permanecem frequentemente baixos, independentemente da quantidade de nitrogénio aplicada. Os nódulos aparentemente ajudam a planta a utilizar o nitrogénio fertilizante de forma eficiente.

Outras leguminosas de grão, tais como amendoins, feijão vaca, soja, e feijão fava, são bons fixadores de nitrogénio e irão fixar todas as suas necessidades de nitrogénio para além do absorvido do solo. Estas leguminosas podem fixar até 250 lb de azoto por acre e não são normalmente fertilizadas (Walley et al., 1996; Cash et al., 1981). De facto, normalmente não respondem ao fertilizante de nitrogénio desde que sejam capazes de fixar nitrogénio. O fertilizante de nitrogénio é normalmente aplicado na plantação destas leguminosas quando cultivadas em solos arenosos ou de baixa matéria orgânica para fornecer nitrogénio à planta antes do início da fixação do nitrogénio. Se o nitrogénio for aplicado, a taxa não deve exceder 15 lb por acre. Quando uma quantidade excessiva de azoto é aplicada, a leguminosa abranda literalmente ou encerra o processo de fixação de azoto (Delwiche e Wijler, 1956). É mais fácil e menos energia para a planta absorver o azoto do solo do que fixá-lo a partir do ar.

Leguminosas perenes e forrageiras, tais como alfafa, trevo doce, trevos verdadeiros, e ervilhacas, podem fixar 250-500 lb de azoto por acre. Tal como as leguminosas de grão anteriormente discutidas, não são normalmente fertilizadas com nitrogénio. Ocasionalmente respondem ao fertilizante de nitrogénio na plantação ou imediatamente após um corte quando o fornecimento de fotossíntese é demasiado baixo para uma fixação adequada de nitrogénio (Aranjuelo et al., 2009). Contudo, a fixação de N2 continua na presença de níveis elevados de N do solo, mas a níveis reduzidos (Lamb et al., 1995). É também importante notar que a alfafa fixadora de N2 é muito mais capaz de remover o excesso de azoto do solo do que as variedades de alfafa não fixadoras de N2 (Russelle et al., 2007).

Nitrogénio Retorno ao Solo e Outras Culturas

A maior parte do azoto fixado vai directamente para a planta. No entanto, algum azoto pode ser “derramado” ou “transferido” para o solo (30-50 lb N/acre) para as plantas não leguminosas vizinhas (Walley et al., 1996). A maior parte do azoto acaba por regressar ao solo para as plantas vizinhas quando a vegetação (raízes, folhas, frutos) da leguminosa morre e se decompõe.

Quando o grão de uma cultura de leguminosa de grão é colhido, pouco azoto é devolvido para a cultura seguinte. A maior parte do azoto fixado durante a estação é removido do campo como grão. Os caules, folhas e raízes das leguminosas de grão, tais como soja e feijão, contêm aproximadamente a mesma concentração de azoto que se encontra nos resíduos de culturas não leguminosas. De facto, os resíduos de uma cultura de milho contêm mais nitrogénio do que os resíduos de uma cultura de feijão simplesmente porque a cultura de milho tem mais resíduos após a colheita do milho.

Uma cultura de leguminosas perenes ou forrageiras só adiciona azoto significativo para a cultura seguinte se toda a biomassa (caules, folhas, raízes) for incorporada no solo. Se uma forragem for cortada e removida do campo, a maior parte do azoto fixado pela forragem é removida. Raízes e coroas adicionam pouco azoto ao solo em comparação com a biomassa acima do solo.

Problemas de fixação de azoto no campo

Medir a fixação de azoto no campo é difícil. Contudo, um cultivador pode fazer algumas observações de campo que podem ajudar a indicar se a fixação de azoto é adequada em algumas das leguminosas comuns.

Se um campo recém plantado é verde claro e de crescimento lento, suspeite de fixação insuficiente de azoto. Isto é frequentemente visto com feijões e alfafa. Num campo novo, a fixação deficiente é frequentemente atribuída à falta de rhizobia nativa para nodular a leguminosa, mas a causa pode ser também uma nutrição deficiente das plantas ou outras tensões vegetais que inibem a fixação de nitrogénio. Pequenos nódulos devem estar presentes a partir de 2-3 semanas após a germinação. Se os nódulos não estiverem presentes, considere as seguintes opções.

A.	Replanta usando semente inoculada com a rizóbia correcta.
B.	Try para inocular as plantas no campo através do sistema de irrigação ou por outros meios. Cuidado: esta técnica muitas vezes não funciona e é necessário aconselhamento especializado.
C.	Considerar a fertilização com azoto para satisfazer todas as necessidades de azoto das plantas. Isto pode não ser uma opção para uma leguminosa perene como a alfafa, especialmente se o campo for mantido em alfafa durante vários anos. Além disso, algumas leguminosas utilizam o azoto do solo ou fertilizante de forma mais eficiente se estiverem presentes nódulos.

Se poucos ou pequenos nódulos estiverem presentes, pode não estar disponível azoto suficiente no solo para a planta jovem antes do início da fixação de azoto. A planta geralmente cresce fora desta condição, ou pode ser aplicada uma pequena quantidade de azoto. Além disso, os rizóbios nativos ineficientes podem resultar numa má fixação de azoto. Considerar outras tensões no solo que podem estar a inibir o crescimento das plantas, especialmente nutrição vegetal e stress hídrico.

Se uma cultura estabelecida se tornar deficiente em azoto a meio da estação de crescimento—quando o crescimento das plantas e as exigências de azoto são maiores—a fixação de azoto deficiente ou ineficiente pode ser a causa. Os nódulos devem ser claramente evidentes, com aproximadamente o tamanho e número por planta, como descrito anteriormente, e devem ser de cor rosada ou vermelha. Se apenas alguns nódulos estiverem presentes, números insuficientes de rizóbios têm uma nodulação limitada, ou o stress das plantas pode estar a inibir a fixação de azoto. Neste momento, pode ser capaz de remover um stress vegetal, mas é demasiado tarde para inocular se os nódulos forem na sua maioria verdes, cinzentos ou brancos, uma vez que os rizóbios nativos são provavelmente fixadores de azoto ineficientes. A única escolha pode ser aplicar fertilizante de nitrogénio lateralmente na cultura actual e inocular suficientemente a próxima cultura de leguminosas. New Mexico State University Extension Guide A-130, Inoculation of Legumes (http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A130/welcome.html), descreve quando e como inocular leguminosas.

Literatura Citada

Aranjuelo, I., J.J. Irigoyen, S. Nogués, e M. Sánchez-Díaz. 2009. Elevado efeito do CO2 e da disponibilidade de água nas trocas gasosas e desenvolvimento de nódulos nas plantas de alfafa fixadora de N2. Environmental and Experimental Botany, 65, 18×26.

Burton, J.C. 1972. Nodulação e fixação simbiótica de azoto. Em C.H. Hanson (Ed.), Alfalfa Science and Technology (Monografia 15; pp. 229-246). Madison, WI: American Society of Agronomy.

p>Cash, D., B. Melton, J. Gregory, e L. Cihacek. 1981. Inoculantes de Rhizobium para alfafa no Novo México . Las Cruces: Estação Experimental Agrícola da Universidade do Novo México.

Delwiche, C.C., e J. Wijler. 1956. Fixação de azoto não simbiótico no solo. Planta e Solo, 7, 113-129.

Frankow-Lindberg, B.E., e A.S. Dahlin. 2013. Fixação N2, transferência N, e rendimento em comunidades de pastagem, incluindo uma leguminosa de raízes profundas ou espécies não leguminosas. Planta e solo, 370, 567-581.

Guldan, S.J., C.A. Martin, J. Cueto-Wong, e R.L. Steiner. 1996. Interseeding legumes into chile: Produtividade das leguminosas e efeito no rendimento do chile. 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. Ineficaz e eficazmente as alfalfas noduladas demonstram que a fixação biológica de nitrogénio continua com a fertilização com nitrogénio elevado. Crop Science, 35, 153-157.

Layzell, D.B., R.M. Rainbird, C.A. Atkins, e J.S. Pate. 1979. Economia do uso fotossintético em nódulos de leguminosas fixadoras de azoto. Plant Physiology, 64, 888-891.

Russelle, M.P., J.F.S. Lamb, N.B. Turyk, B.H. Shaw, e B. Pearson. 2007. Gestão de solos contaminados com azoto. Agronomy Journal, 99, 738-746.

Sørensen, J., e A. Sessitsch. 2007. Bactérias associadas às plantas – Estilo de vida e interacções moleculares.
Em J.D. van Elsas, J.K. Jansson, e J.T. Trevors (Eds.), Modern Soil Microbiology, 2ª ed., J.K. Jansson, e J.T. Trevors (Eds.), Modern Soil Microbiology, 2ª ed., J.K. Jansson. (pp. 211-236). Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor and Francis Group.

Unkovich, M.J., J. Baldock, e M.B. Peoples. 2010. Perspectivas e problemas de modelos lineares simples para estimar a fixação simbiótica N2 por culturas e leguminosas de pastagem. Planta e Solo, 329, 75-89.

Walley, F.L., G.O. Tomm, A. Matus, A.E. Slinkard, e C. van Kessel. 1996. Alocação e ciclagem de nitrogénio numa direcção de alfa-bromassas. Agronomy Journal, 88, 834-843.

Warembourg, F.R., D. Montange, e R. Bardin. 1982. A utilização simultânea de técnicas de rotulagem de CO2 e N2 para estudar a economia de carbono e azoto das leguminosas cultivadas em condições naturais. Physiologia Plantarum, 56, 46-55.

Para mais sobre este tópico, ver as seguintes publicações:

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

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

A-148: Entendendo a Saúde do Solo para a Agricultura de Produção no Novo México
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A148/welcome.html

A-150: Princípios de cultivo de cobertura para sistemas agrícolas áridos e semi-áridos
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A150/welcome.htmlp> Todas as Publicações Agronómicas:
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/

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Autores originais: W.C. Lindemann, microbiologista de solos; e C.R. Glover, agrónomo de extensão.