Rhizobium
(dal greco “
rhiza
” = radice, “
bios
” = vita) e un
genere
di
batteri
del suolo responsabili della
fissazione biologica
dell'
azoto
molecolare mentre la
nitrogenasi
svolge il proprio compito.
Si tratta di batteri
diazotrofi
simbiotici
cioe in grado di trasformare l'azoto atmosferico in forma gassosa in una forma facilmente assimilabile per le piante, come
ammoniaca
che entra facilmente in equilibrio chimico con lo
ione ammonio
, ma che devono necessariamente colonizzare un ospite poiche da soli non sono in grado di effettuare la
fissazione
.
Il genere
Rhizobium
e caratterizzato da numerosi ceppi che entrano in simbiosi con specie vegetali a rapido accrescimento e in particolare con
leguminose
(
Fabaceae
) erbacee mentre il genere
Bradyrhizobium
e tipico per specie a lento accrescimento come le leguminose arbustive ed arboree.
Morfologicamente questi batteri sono
procarioti
,
Gram-negativi
, mobili, non sporigeni,
autotrofi
facoltativi per l'azoto, aerobi. L'elemento caratterizzante e che, quando diventano simbiotici, vengono avvolti da una membrana plasmatica di origine vegetale che consente al batterio di interagire con i veri organi vegetali delle piante.
A seconda delle specie possono essere adatti a terreni acidi o alcalini coprendo un ampio spettro del
pH
dei suoli.
Le prime specie di
Rhizobium
(
R. leguminosarum
) furono identificate nel 1889: la loro classificazione e stata numerose volte rivista. In passato, infatti, tutte le specie della famiglia
Rhizobiaceae
furono classificate all'interno del genere
Rhizobium
.
Una recente ri-classificazione
[1]
basata sull'analisi delle sequenze dei geni individua la famiglia
Rhizobiaceae
, definita come insieme di batteri azotofissatori che generano noduli radicali simbiotici in leguminose, e la suddivide in 12 generi e 62 specie:
- genere
Rhizobium
che consiste di 16 specie:
R. cellulosilyticum, R. daejeonense, R. etli, R. galegae, R. gallicum, R. giardinii, R. hainanense, R. huautlense, R. indigoferae, R. leguminosarum, R. loessense o huanglingense, R. lusitanum, R. mongolense, R. sullae o hedysari, R. tropici, R. undicola
(ex
Allorhizobium undicola
),
R. yanglingense
.
- genere
Phyllobacterium
con 1 specie:
P. trifolii
(ex
Rhizobium trifolii
)
- genere
Bradyrhizobium
con 5 specie:
B. japonicum
(ex
Rhizobium japonicum
),
B. elkanii
,
B. liaoningense
,
B. yuanmingense
,
B. canariense
- genere
Mesorhizobium
con 11 specie:
M. albiziae
,
M. amorphae
,
M. chacoense
,
M. ciceri
(ex
Rhizobium ciceri
),
M. huakuii
(ex
Rhizobium huakuii
),
M. loti
(ex.
Rhizobium loti
),
M. mediterraneum
(ex.
Rhizobium mediterraneum
),
M. plurifarium
,
M. septentrionale
,
M. temperatum
,
M. tianshanense
(ex
Rhizobium tianshanense
)
- genere
Azorhizobium
con 2 specie:
A. caulinodans
,
A. doebereinerae o johannae
- genere
Methylobacterium
con 1 specie:
M. nodulans
- genere
Ensifer
(ex
Sinorhizobium
) con 15 specie:
E. abri
,
E. americanum
,
E. arboris
,
E. fredii
(ex
Rhizobium fredii
),
E. indiaense
,
E. kostiense
,
E. kummerowiae
,
E. medicae
,
E. meliloti
(ex
Rhizobium meliloti
),
E. mexicanum
,
E. morelense
(in discussione perche non sembra un "Ensifer" e fino a pochi anni, 2003, fa era sinonimo di "E. adhaerens"),
E. adhaerens
,
E. saheli o sahelense
,
E. terangae
,
E. xinjiangense
- genere
Burkholderia
con 5 specie:
B. caribensis
,
B. cepacia
,
B. mimosarum
,
B. phymatum
,
B. tuberum
- genere
Cupriavidus
(ex
Wautersia
, ex
Ralstonia
) con 1 specie:
C. taiwanensis
- genere
Devosia
con 1 specie:
D. neptuniae
- genere
Herbaspirillum
con 1 specie:
H. lusitanum
- genere
Ochrobactrum
con 2 specie:
O. lupini
(ex
Bradyrhizobium lupini
) e
O. cytisi
.
Gli
Agrobacterium
sono stati riclassificati (Young et al., 2001) ed una parte delle specie e stata inserita nel genere "Rhizobium":
- Rhizobium radiobacter
ex
Agrobaterium radiobacter o tumefaciens
- Rhizobium rubi
ex
Agrobaterium rubi
- Rhizobium vitis
ex
Agrobaterium vitis
- Rhizobium larrymoorei
ex
Agrobaterium larrymoorei
- Rhizobium rhizogenes
ex
Agrobaterium rhizogenes
Tuttavia questi batteri, pur possedendo
plasmidi
in grado di fissare l'azoto, non producono noduli radicali simbiotici e per questo motivo non possono considerarsi dei "Rhizobium" e neanche far parte della famiglia "Rhizobia".
E necessario ricordare che esistono
altri batteri azotofissatori che non producono noduli radicali simbiotici
e che possono essere aerobi, anaerobi, simbiotici, non simbiotici come per esempio i generi
Frankia
,
Stappia
,
Ruegeria
,
Pseudorhodobacter
,
Azospirillum
,
Azotobacter
,
Rhodopseudomonas
,
Burkholderia
,
Clostridium
.
I
Rhizobium
, nel suolo, sono
batteri
che presentano forme a bastoncino diritto, sono liberi di muoversi e si nutrono degli organismi in via di
decomposizione
. In questa situazione non sono in grado di fissare l'azoto.
In situazioni particolari (attivazione molecolare-metabolica del sistema batterio-vegetale) possono penetrare attraverso i
peli radicali
ed entrare nei tessuti della
radice
insediandosi nel
citoplasma
delle cellule dei
noduli radicali
prodotti dalla pianta e formando un nuovo “organo”.
All'interno di queste cellule i
Rhizobium
subiscono mutamenti di forma e dimensione: si accrescono, diventando piu grandi di quasi trenta volte, assumono forme ad Y oppure a bastoncino con ispessimento (clava), differenziano la struttura azoto-fissatrice, si avvalgono di una
membrana plasmatica
di origine vegetale e si trasformano in
batteroidi
iniziando il rapporto simbiotico che comporta un controllo da parte della pianta nella loro riproduzione.
I batteroidi sono batteri dalla morfologia modificata a causa della simbiosi rispetto al batterio libero: questi batteroidi rappresentano le cellule dove viene fissato l'azoto e sono incapaci di riprodursi e di eseguire divisioni cellulari (quindi non possono moltiplicarsi).
Nel rapporto simbiotico mutualistico, i batteroidi forniscono alla pianta una forma di azoto facilmente assimilabile (
ammoniaca
e/o
ione ammonio
) mentre la pianta fornisce ai batteroidi
carboidrati
, indispensabile fonte energetica, e
proteine
.
Nelle leguminose si e calcolato che circa il 40% dei carboidrati
fotosintetizzati
siano utilizzati dai batteroidi azoto-fissatori che utilizzano oltre il 75% di questa fonte energetica per scindere il triplo legame della molecola di azoto.
Il processo di inoculazione e sviluppo simbiotico richiede una differenziazione concertata tra il batterio e la cellula vegetale ospitante: tale concertazione o comunicazione tra batterio e cellula vegetale avviene per via molecolare-metabolica ancora prima che il
Rhizobium
entri nella cellula stessa.
Si possono individuare quattro fasi principali:
- riconoscimento pianta-batterio (
Rhizobium
)
- diffusione dell'infezione batterica nelle radici
- sviluppo del nodulo radicale e della struttura simbiotica
- azoto fissazione e inizio del rapporto simbiotico
- Prima fase - La pianta emette nel terreno
flavonoidi
che richiamano i batteri
Rhizobium
specifici per quel vegetale; i flavonoidi penetrano nelle cellule batteriche del
Rhizobium
e stimolano la produzione di una proteina chiamata
NodD
che attiva diversi
geni
di nodulazione che iniziano a sintetizzare un lipo-chito-oligosaccaride chiamato
fattore Nod
(o
di nodulazione
) (Werner, 2004). Il
Nod
viene emesso dal batterio e si comporta da
ormone
stimolando la risposta dell'apparato radicale della pianta.
- Seconda fase - Il
Nod
emesso dal batterio e assorbito dalla pianta inizia a stimolare la divisione cellulare nelle
radici
e nei
peli radicali
che si accrescono. In particolare i peli radicali crescono asimmetricamente e tendono ad arrotolarsi a formare una sorta di canale attraverso cui il
Rhizobium
puo penetrare nel tessuto radicale ed effettuare l'infezione. La progressione dei batteri nei canali d'infezione avviene per divisione cellulare: la pianta, infatti, fornisce ai batteri nutrimento e consente loro di riprodursi molto efficacemente e di spostarsi progressivamente verso il centro della radice dove formeranno il nodulo a partire da cellule meristematiche. Dalla zona del nodulo si formano altri canali d'infezione che consentono la formazione di nuovi noduli che contengono migliaia di batteri e lo sviluppo ed allungamento delle radici.
- Terza fase - Raggiunta la concentrazione critica (15000-20000 batteri per ogni singola cellula vegetale infettata) e proprio
la pianta che inibisce la formazione di nuovi noduli e la riproduzione batterica inducendo la fase di trasformazione somatica dei batteri in batteroidi e la formazione dei veri e propri noduli
: essi si ricoprono di una membrana plasmatica vegetale, aumentano di volume (fino ad oltre 30 volte il volume iniziale), cambiano forma, si formano gli organi per l'azoto fissazione costituiti dall'accumulo di
amiloplasti
tra gli strati cellulari, non sono piu in grado di duplicarsi e riprodursi. Tutte queste trasformazioni, che portano alla formazione del nodulo, sono il risultato di una interazione tra le sostanze emesse dal batteroide (Nod, lipopolisaccaridi, exopolisaccaridi, ciclo-β-glucani, K-antigeni e varie proteine) e le risposte molecolari della pianta. Se queste sostanze non vengono riconosciute dall'ospite non si formano i noduli. La formazione dei noduli produce una inibizione dell'ormone
Nod
che rappresenta il regolatore della divisione cellulare del batteroide: diminuendo la concentrazione di Nod si inibisce la riproduzione del "Rhizobium".
- Quarta fase - I batteroidi iniziano a
fissare l’azoto
attraverso un complesso multi-enzimatico che scinde il
triplo legame
e che consente alla
nitrogenasi
di catalizzare la formazione di un composto azotato di facile assimilazione per la pianta. La quantita di azoto fissato e legata direttamente alla pressione di
ossigeno
presente nel nodulo che e regolata dalla
leg-emoglobina
, una
proteina
rossastra che regola la concentrazione di ossigeno in funzione delle necessita della respirazione
mitocondriale
e della nitrogenasi. Tale proteina (simile all'
emoglobina
) e simbiotica poiche il gruppo
eme
(che contiene il
ferro
responsabile del legame con l'ossigeno) e sintetizzato dal batteroide mentre la parte “globinica” e prodotta dalla cellula vegetale. Inizia, quindi, il rapporto simbiotico mutualistico: entrambi concorrono per la formazione della leghemoglobina essenziale per la nitrogenasi, i batteroidi forniscono alla pianta azoto facilmente assimilabile (
NH
3
e/o
NH
4
+
), la pianta fornisce ai batteroidi
carboidrati
e
proteine
.
E formato da cellule ingrossate del batteroide azotofissatore e dall'accumulo di amiloplasti tra le cellule meristematiche della radice. Sezionando un nodulo radicale e possibile verificare se in esso si verifica l'azotofissazione oppure no:
- se nella sezione il nodulo presenta aree o macchie di colore rosato (indice della presenza del complesso leghemoglobina) allora ivi avviene la fissazione dell'azoto;
- se nella sezione il nodulo appare completamente bianco o verde significa che in quel sito non avviene la fissazione ma che comunque sono presenti i batteroidi: probabilmente una errata comunicazione molecolare-biologica tra batteroide e pianta ha di fatto bloccato il rapporto di simbiosi mutualistica;
- se nella sezione il nodulo appare di colore grigio o marrone significa che in quel nodulo non solo non avviene la fissazione dell'azoto ma che anche i batteroidi sono morti e che e in corso un processo di degradazione.
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