Die biologische Stickstofffixierung oder Diazotrophie ist der Prozess des Stickstoffkreislaufs, der es einem Organismus ermöglicht, aus dem in der Atmosphäre und in der Umwelt vorhandenen Stickstoffgas (N 2 ) (indirekt) Substanzen Protein zu produzieren . Das Akronym BNF wird manchmal von englischsprachigen Personen verwendet, um den Ausdruck "biologische N2-Fixierung" zusammenzufassen .
Es ist der Prozess der enzymatischen Reduktion von N 2 ( molekularem Stickstoff ) zu ammoniakalischem Stickstoff oder Ammoniak (NH 3 ): Diese kombinierte Form von N, das als Schlüsselintermediat bezeichnet wird, repräsentiert das Ende der Bindungsreaktion und den Beginn des Einbaus von fixierter Stickstoff im Kohlenstoffgerüst. Im biologischen N 2 -Fixierungssystem entsprechen die optimalen Bedingungen für die biologische Katalyse einem Druck von 0,2 bis 1,0 atm N 2 und einer Temperatur von 30–35 ° C , während die Bedingungen für die chemische Katalyse streng sind: Druck 250–1000 atm von N 2 und eine Temperatur von 450 ° C .
Dieser Prozess ist vergleichbar mit dem der Photosynthese, bei der aus Kohlendioxid (CO 2 ) in der Atmosphäre Kohlenhydrate erzeugt werden. Während die Photosynthese die Arbeit aller Pflanzen ist (mit Ausnahme von saprophytischen Pflanzen ), wird die Fixierung von Umgebungsstickstoff nur von bestimmten Bakterienarten wie Cyanophyceae durchgeführt . Viele Pflanzen , hauptsächlich aus der Familie der Fabaceae ( Hülsenfrüchte ), produzieren sie jedoch indirekt in Symbiose mit Bakterien aus ihrer Rhizosphäre , die sich im Allgemeinen in Knötchen an ihren Wurzeln befinden.
Bis vor kurzem wurde angenommen, dass Mykorrhizapilze N 2 fixieren können . Es ist jetzt bekannt, dass die Eigenschaft der Fixierung von N 2 streng auf Prokaryoten beschränkt ist und bei Fadenpilzen nie gezeigt wurde. Die Fixierung von N 2, gemessen durch Reduktion von Acetylen ( C 2 H 2 ) zu Ethylen (C 2 H 4 oder CH 2 = CH 2 ) durch eine Mykorrhizawurzel, sollte nicht dem Pilz selbst zugeschrieben werden, sondern Bakterien, die mit der Mykorrhizosphäre assoziiert sind . Diese N 2 Bindungsaktivität ist darüber hinaus noch wichtiger in Wald Wurf als im mycorrhizosphere selbst.
Diese prokaryotischen Organismen (Bakterien) produzieren ein Enzym , die Stickstoffase , die die Synthese von Ammoniak durch eine stark endotherme Reduktionsreaktion ermöglicht :
N 2 + 16 ATP + 8 e - + 8 H + → 2 NH 3 + H 2 ↑ + 16 ADP + 16 Piunter Bodenbedingungen im Gegensatz zu den 450 ° C industrieller Prozesse, die auch einen durchschnittlichen Druck in der Größenordnung von 400 Atmosphären erfordern. Das Ammoniak wird dann in Aminosäuren umgewandelt, die von Pflanzen verwendet werden können.
Nitrogenase ist eigentlich ein Enzymkomplex aus Untereinheiten, dessen Funktion in vitro durch Sauerstoff gehemmt wird. Im Verlauf der Symbiose wird ihre Funktion jedoch in einer Zone der Mikroaerobiose (in den Wurzelknollen) oder sogar in aerobem Zustand innerhalb der Wurzeln nicht leguminöser Pflanzen (mithilfe von Mikroorganismen, die laut Santi & Endophyten genannt werden) ermöglicht al. im Jahr 2013, was somit von den Bedingungen zu profitieren scheint.
Darüber hinaus haben diazotrophe Mikroorganismen (Stickstofffixierung) ihrerseits mehrere Strategien zum Schutz ihres Stickstoffasekomplexes entwickelt.
Hemmung der Stickstoffase durch O 2, ob direkt oder indirekt über oxidierende Radikale, bildet einen starken Regulator des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre, im Sauerstoffkreislauf , durch die negative Rückkopplung, die es auf die Stickstofffixierung hat. Eine Hemmung der Stickstofffixierung würde zu einem Rückgang der Primärproduktivität führen, sowohl direkt für diazotrophe Cyanobakterien als auch indirekt für die gesamte Primärproduktivität der Hydrosphäre , was langfristig für den Kohlenstoffkreislauf eine Verringerung der Vergrabungsrate bewirken würde organischer Kohlenstoff. Ohne Deponie entsteht kein Netto-O 2durch die Biosphäre und die überschüssige sauerstoff sehr reaktive Spezies verschwindet allmählich durch die Oxidation der Oberfläche des Planeten .
Auf der Erde gibt es freie Bakterien , die im Boden leben und entweder allein oder in Symbiose mit anderen Bakterien für die Stickstofffixierung sorgen . Dies sind hauptsächlich:
Andere Bakterien leben in Symbiose mit dem Wurzelsystem von Pflanzen:
In den Ozeanen sind es die Cyanobakterien , die den Stickstoff binden. Es gibt zwei Arten :
Die verschiedenen Arten von Rhizobiumbakterien , die in der Lage sind, die Wurzeln von Hülsenfrüchten ( Familie der Fabaceae ) zu infizieren , sind spezifisch für bestimmte Wirtspflanzen. So infiziert Rhizobium phaseoli Bohnen ( Phaseolus sp).
Bakterien bewirken, dass sich Knötchen an den Wurzeln bilden, indem sie durch die Wurzelhaare eindringen und sich in größere " Bacteroides " verwandeln . Knötchen sind der Sitz einer symbiotischen Aktivität, bei der die Pflanze den Zucker und die Energie liefert, die aus der Photosynthese resultieren , und im Gegenzug von den dort produzierten Aminosäuren profitiert .
Diese Aktivität kann jährlich bis zu 300 kg Stickstoff pro Hektar produzieren , der teilweise in exportierten Kulturen (Eiweiß aus Samen und Futter) und teilweise im Boden vergraben ist und von den folgenden Kulturen ( Gründüngung ) verwendet werden kann.
Weltweit wird die so festgelegte Stickstoffmasse auf 100 Millionen Tonnen pro Jahr geschätzt, was der Größenordnung der Stickstoffproduktion der chemischen Industrie entspricht.
Die Bildung von Wurzelknollen beinhaltet einen komplexen molekularen Dialog zwischen der Wirtspflanze und den Rhizobiaceae .
Die Pflanze sezerniert Signale wie Flavonoide , Betaines . Die Wahrnehmung dieser Signale durch das Bakterium induziert die Expression zahlreicher Bakteriengene, von denen hundert bekannt sind. Die am meisten untersuchten sind die nod-Gene (oder auch nol und noe). Nod D-Gene exprimieren regulatorische Proteine als Reaktion auf Pflanzeninduktoren. Einmal aktiviert, binden die Nod D-Proteine an Nod-Box-Sequenzen, Promotoren struktureller Nod-Gene, und aktivieren deren Transkription. Diese Gene produzieren wesentliche Nod-Faktoren bei der Herstellung einer Symbiose .
Die NOD-Faktoren aktivieren einen Signalweg, an dem eine Reihe von Genen aus der Wirtspflanze beteiligt sind, und verursachen letztendlich morphologische Veränderungen und zytologische Wurzeln, die zur Bildung von Knötchen führen .
Viele Gene wurden in Erbsen ( Pisum sativum ) , Kleeblatt ( Lotus japonica ) und Kleeblatt Luzerne ( Medicago truncatula ) identifiziert . Sie sind alle SYMRK-Rezeptoren (Symbiose-Rezeptor-ähnliche Kinase), die auf der intrazellulären Seite eine Kinasedomäne (RLK, Rezeptor-ähnliche Kinase) und auf der extrazellulären Seite LysmM-reiche Motive (Wechselwirkung mit NOD-Faktoren) besitzen. Die Gene heißen Nfr (Nod-Faktor-Rezeptor) oder Sym (Symbiose-Gene). Es kann zwei Arten von Rezeptoren sein, eine , die Infektion der Wurzel durch die Bakterien zu steuern, die andere die Krümmung der Wurzel ermöglicht Haare .
Einige zehn Sekunden nach dem Aufbringen der Nod-Faktoren wird ein schneller Zufluss von Calcium beobachtet, der eine Depolarisation der Plasmamembran induziert, die zur Krümmung und Verformung der absorbierenden Haare führt .
Zehn Minuten später treten in der Nähe des perinukleären Bereichs periodische und vorübergehende Schwingungen der cytosolischen Calciumkonzentration auf. Diese Kalziumschwingungen (Kalziumspitzen) sind auf zwei Membranproteine DMI1 und DMI2 zurückzuführen. Letzterer ist ein Rezeptor vom RKL-Typ (Rezeptor-ähnliche Kinase), der drei an Leucin (LRR) reiche Domänen aufweist.
Die Reaktion auf diese Oszillationen beruht auf dem DMI3-Gen, das für eine Calmodulin- und Calcium-abhängige Proteinkinase kodiert . Dieses Protein Sinn Veränderungen in Calcium - Konzentration sowohl durch Bindung an kalzium gebundene calmodulins und freies Calciums . DMI3 wird durch Autophosphorylierung seiner Kinasedomäne aktiviert. Zusätzlich übt DMI3 eine negative Rückkopplung auf DMI1 und DMI2 und daher auf Calciumoszillationen aus.
DMI3 aktiviert die Expression der ENOD-Gene (frühe Nodulin-Gene), Proteine, die von der Pflanze in den ersten Stadien der Symbiose produziert werden (wie Leghemoglobin), die an der Infektion beteiligt sind, und die Organogenese der Knötchen, die die Teilung kortikaler Zellen aktivieren . Die Zwischensubstrate von DMI3 sind jedoch noch nicht gut bestimmt.
Es scheint, dass die Rhizobiaceae den mykorrhizalen Signalweg rekrutierten und dass die Organogenese des Knotens aus dem genetischen Programm der sekundären Wurzelorganogenese abgeleitet ist. Stickstofffixierende Endosymbiosen wären vor 65 Millionen Jahren aufgetreten . Der allen diesen Arten gemeinsame Vorfahr hätte dank einer gewissen Veranlagung zur knotigen Organogenese eine bakterielle Endosymbiose entwickelt (die Bildung von Knötchen ist eine Ablenkung des genetischen Programms zur Bildung von Sekundärwurzeln). Es ist wahrscheinlich, dass die Fähigkeit zur Bildung von Knötchen während der Evolution mehrmals und unabhängig voneinander auftrat . Diese Fähigkeit ist auch mehrmals verloren gegangen, zum Beispiel für die Anpassung an fruchtbarere Böden. Dies hilft , die Gegenwart von knotigen zu erklären Pflanzen in der Knötchen Pflanze Clade .
Zwei antagonistische „Selektionskräfte“ könnten für die Spezifität stickstofffixierender Symbiosen verantwortlich sein.
Eine geringe Spezifität scheint in den Gattungen primitiver Pflanzen zu finden, während die Spezifität von Symbionten während der Evolution zunimmt.
Auf molekularer Ebene können während des Rhizobium-Wirtspflanzendialogs drei Spezifitätsebenen definiert werden. Die Nod-Gene werden von einem Bakterienplasmid getragen. Dann können horizontale Gentransfers stattfinden, die auch Wirtsspektren übertragen. Dies erklärt die Wechselwirkung zwischen evolutionär entfernten Bakterienarten und nahe gelegenen Wirtspflanzen und umgekehrt. Somit gibt es eine Koevolution zwischen den Genen der Symbiose und den Wirtspflanzen und nicht zwischen den Rhizobiaceae und den Wirtspflanzen.
Viele Pflanzen haben ähnliche Assoziationen:
Von 2000 bis 2015 wurden mehrere Pflanzenarten mit stickstofffixierenden Endophyten gefunden, darunter:
Die Stickstofffixierkapazität wurde bei einigen Gräsern (Zuckerrohr, Weizen und Reis) direkt quantifiziert.
Dies geschieht auf zwei Arten:
Einige Studien verwenden vorsichtshalber beide Tests gleichzeitig, wie beispielsweise die Studie von 2016, in der erstmals diazotrophe Bakteriensymbionten von Pionierarten in Ästen (Weiden oder Pionierpappeln , die in Umgebungen stark gedeihen) nachgewiesen wurden Stickstoffmangel).