Fijación Biológica de Nitrógeno:   Información complementaria

  Algo sobre evolución  

Aunque la FBN es un proceso anaerobio, se da en muchas bacterias aerobias que han desarrollado una estrategia particular y propia para que funcione la nitrogenasa en una atmófera oxigenada sin inactivación de la enzima. Si la fijación apareció antes de la fotosíntesis oxigénica, la sensibilidad de la enzima al oxígeno no debió ser un problema fundamental. La posibilidad de que la nitrogenasa surjiera con un propósito detoxificante del ambiente primigenio ha sido ampliamente discutida sin acuerdo; a pesar de su capacidad para actuar sobre numerosos substratos, algunos de ellos posiblemente presentes en aquel medio primitivo. Esto no invalida, sin embargo, los argumentos propuestos sobre la aparición de los organismos fijadores como consecuencia de una presión selectiva del ambiente y que se ha datado hacia unos 3.000 millones de años, esto es, unos 500 a mil millones antes de la fotosíntesis oxigénica. Teniendo en cuenta que la capacidad de fijar N2 está reducida a las eubacterias y algunas arqueobacterias, existen buenas razones para suponer que los genes implicados tienen un origen muy antiguo, probablemente en el ancestro común de todos los organismos actuales. Aunque la mayoría de las bacterias aparecen como no fijadoras, este es un caracter bastante general, que puede pasar desapercibido por no haberse ensayado en las condiciones adecuadas y, de hecho, el reconocimiento de esta propiedad no se encuentra entre la ingente cantidad de pruebas rutinarias aplicadas a la clasificación de nuevas especies. Aún cuando la fijación sea negativa, se ha descrito en muchos casos hibridación a sondas de genes nif (los genes implicados en la fijación) como un relictus de esta característica inicialmente presente y luego perdida.
En apoyo de la herencia horizontal de este caracter se puede tener en cuenta la homogeneidad genética y enzimática que se presenta en todos los organismos fijadores. Los dos componentes de la nitrogenasa de diferentes orígenes pueden intercambiarse dando en muchos casos un complejo con actividad in vitro. Los requerimientos de energía y poder reductor son también generales. La transferencia de electrones a través de la nitrogenasa a los diferentes substratos y las propiedades de la enzima son comunes. En cuanto a la genética, hay gran homología entre los genes nif de las diferentes bacterias ya sean fijadoras libres o simbióticas. Hay quien afirma que la fijación ha podido ser un atributo normal de las bacterias aunque muchas lo hayan perdido por innecesario ya que en el medio habría suficiente nitrógeno directamente utilizable sin necesidad de tanto gasto. Tampoco se puede descartar que la nitrogenasa, como antes se ha mencionado, tuviera una función detoxificante cuando el nitrogeno reducido no era limitante.
Si hay bacterias y arqueobacterias fijadoras no tiene mucha explicación que esta actividad metabólica haya quedado detenida en la diferenciación de las células eucarióticas. Ni los organismos eucarioticos más sencillos, con habitats similares a los fijadores, son capaces de reducir el dinitrógeno. La explicación es que vinieran de un ancestro que ya no era fijador.
Esta concreción de la fijación a procariotas y el hecho comprobado de la transferencia de información genética entre bacterias, ha permitido que la herencia horizontal de los genes implicados en la fijación no puede ser dejada de lado. No en vano se ha encontrado que una proporción alta de plásmidos de bacterias acuáticas, se transfieren fácilmente de unos a otros jugando un papel importante en la plasticidad de la población bacteriana de este medio. Hoy dia se conocen numerosos ejemplos de transferencia genética horizontal a muy alta frecuencia y en todos los habitatsEn relación con la fijación, en Klebsiella pneumoniae, el fijador más estudiado, los genes nif se encuentran agrupados formando lo que parece ser un transposon, por lo que su movilización conjunta a otros organismos puede ser potencialmente factible. Así las cosas, la cuestión del origen y evolución de la fijación está abierta a cualquier opinión razonable.
En relación con la simbiosis mutualista Rhizobium- leguminosa, la cuestión está todavía menos clara. Desde la asociación puramente neutra entre estos dos organismos hasta la asociación mutualista han podido darse todas las posibilidades. Aunque hay sus detractores, sin mucha base por cierto, por propios datos nuestros, podemos deducir que la asociación primitiva entre Rhizobium y su hospedador podría ser patogénica. No en vano Rhizobium posee características propias de bacterias patógenas de plantas (producción de enzimas líticas de la pared de la célula vegetal), aunque controladas y, además, son capaces de inducir la respuesta defensiva de la planta que estimamos es neutralizada por los factores nod en los primeros estadios de la interacción (Martínez-Abarca et al. Mol. Plant-Microbe Interact. 11, 153-155, 1998; Bueno et al. New Phytol. 152, 91-96, 2001), hipótesis corroborada por Shaw and Long. Plant. Physiol. 132, 2196-2204, 2003. Conocer los pasos intermedios es más difícil. Rhizobium, po r otra parte, presenta cierta semejanza con patógenos de animales y, así por ejemplo, con Brucella tienen en común la endocitosis. También comparten una amplia región de su ADN. (Soto y colaboradores han publicado recientemente una interesante revision sobre el tema titulada "Rhizobia and plant-pathogenic bacteria: common infection weapons" (Soto et al. Microbiology 152, 3167-3174, 2006) . La existencia en cianobacterias de la capacidad de fijar nitrógeno, y en algunos casos simultáneamente con la fotosíntesis oxigénica, puede también aportar luz a las diversas hipótesis evolutivas en curso, de hecho, se ha sugerido (Berman Frank et al. Science 294, 5546, 2001) que, en cianobacterias, la nitrogenasa pudo servir como aceptor de electrones para el metabolismo heterotrófico anaerobio en las primeras fases evolutivas de la fotosíntesis oxigénica y que se habría favorecido la evolución selectiva del Fotosistema I al crear un ambiente anaerobio para la fijación de nitrógeno.
De la filogenia molecular se puede deducir que todas las plantas que nodulan pertenecen al mismo clado, que incluye los órdenes Fabales, Fagales, Cucurbitales y Rosales (FaFaCuRo). Especies de los tres últimos órdenes pueden ser infectadas por el actinomiceto Frankia. Basados en esta deducción se ha postulado que un ancestro común de este clado podría haber adquirido la predisposición a nodular. Sin embargo, hay excepciones fuera de FaFaCuRo, Gunnera, por ejemplo, que forman simbiosis intracelulares, por lo que podría haber un ancestro anterior con tal predisposición. La utilidad de la fijación de nitrógeno ha presionado en el mantenimiento de este caracter. No hay que olvidar, por otra parte, que la capacidad de establecer esta simbiosis ha aprovechado el camino abierto por las micorrizas (con 400 millones de años de antigüedad frente a 58 de la Rhizobium-leguminosa). Ambas simbiosis comparten muchos aspectos y hoy dia se conocen bastantes genes de las plantas que son comunes en el establecimiento de estas dos asociaciones mutualistas.
Al contrario de lo que ocurre con las células animales, no se ha descrito ningún patógeno intracelular en vegetales. ¿Puede ser por resistencia de la pared celular? Sin embargo, si se han encontrado similitudes entre Rhizobium y patógenos animales intracelulares, como Brucella. Los endosimbiontes si han desarrollado la forma de entrar en la célula hospedadora.
(Información complementaria en: Sprent, J.I. Evolving ideas of legume evolution and diversity: a taxonomic perspective on the occurrence of nodulation. New Phytol. 174, 11-25, 2007)