Por: I.A Mauricio Sáenz Vélez
Gerente Investigación & Desarrollo Stoller Colombia S.A.

Aprovechamiento del Nitrógeno por parte de la planta: El caso de Nitrocrop

Palabras Clave: Calcio, Nitrógeno, Citoquininas, Inhibición de la nitrificación

Resumen

El Nitrógeno es, después de los elementos estructurales (C, H y O), el más abundante en los tejidos de las plantas superiores, lo cual significa que es de gran importancia en los programas de nutrición de una gran variedad de cultivos. Así mismo, es un elemento muy dinámico en la naturaleza y está expuesto a una serie de factores que reducen su disponibilidad y eficiencia de uso por parte de las plantas. Tal vez el proceso más importante y que reduce en mayor medida la eficiencia de los fertilizantes nitrogenados comúnmente usados en agricultura, es la nitrificación, que se da en el suelo una vez aplicado el fertilizante y requiere la actividad de bacterias habitantes del suelo. Durante el proceso se pierden grandes cantidades de nitrógeno en forma de gas amoniaco que escapa a la atmosfera y posteriormente el nitrógeno toma la forma del anión nitrato, el cual es fácilmente lavado por las aguas de escorrentía y se profundiza hacia las napas freáticas, causando contaminación posterior en grandes cuerpos de agua. Las tecnologías de inhibición de nitrificación buscan reducir las pérdidas del fertilizante aplicado; la tecnología N-HIB® patentada por Stoller y que está presente en el producto Nitrocrop ha demostrado su eficiencia para mantener por más tiempo la estabilidad del nitrógeno aplicado y permitir a la planta una mejor absorción de este nutriente.

Introducción

El calcio es un elemento necesario en las plantas para las uniones de la pared celular, la estabilidad de la membrana celular, como mensajero secundario citoplasmático y como un contra catión para equilibrar las concentraciones de compuestos aniónicos vacuolares. Las concentraciones de calcio en los ápices de la planta van desde 0,1-5% en peso seco (Marschner, 1995). Las concentraciones de calcio pueden subir hasta más del 10% en peso seco, sin síntomas de toxicidad en algunas especies adaptadas a las condiciones del suelo altos de calcio (White y Broadley, 2,003). Las plantas dicotiledóneas tienden a tener concentraciones más altas de calcio en los ápices superiores en comparación con las especies monocotiledóneas.

El transporte de calcio depende del transporte apoplástico y simplastico de la solución del suelo, a través del xilema y en los tejidos del apice que transpiran. El calcio no se transporta fácilmente a través del floema, asi que la removilización del calcio desde tejidos viejos hacia nuevos crecimientos, no es una opción y se requiere un suministro constante de calcio a lo largo del ciclo de vida de la planta. Esta dependencia de disponibilidad inmediata de Ca en la savia del xilema, significa que la deficiencia de calcio se ve a menudo en el desarrollo de las hojas y los frutos carnosos o tubérculos, donde las bajas tasas de transpiración y altas tasas de crecimiento pueden dar lugar a niveles de calcio insuficientes. Cuando las concentraciones de Ca caen por debajo de los niveles críticos, la integridad de la pared celular y de la membrana celular se ven comprometidas, ya que conduce a la
reducción de la expansión celular, las infecciones oportunistas y la muerte celular (Fallahi et al., 1997).

La función del calcio

A diferencia de otros macronutrientes, el calcio tiene una distribución inusual dentro de los tejidos de la planta debido a que las concentraciones citosólicas se mantienen en niveles muy bajos (0,1- 0,2 mM Ca libre) (Felle, 1988; Evans et al., 1991). La mayoría de la fracción de calcio se encuentra en la matriz extracelular, o dentro de las organelas celulares. La vacuola, el retículo endoplasmático y los cloroplastos son los principales sitios de almacenamiento intracelular de calcio. Los iones de calcio proporcionan interacciones químicas estables pero reversibles entre calcio y macromoléculas orgánicas cargadas negativamente. Los iones de calcio funcionan como reticulantes de soporte para los oligosacáridos de la pared celular, como estabilizadores de la membrana celular, como catión de balance dentro de las organelas, y como segundo mensajero en el citoplasma. Como resultado de estas funciones, las concentraciones de calcio son significativamente más altos en las regiones extracelulares y dentro de las organelas, en comparación con los niveles de calcio en el espacio citoplasmático (White y Broadley 2003).

El calcio se une a la molecula de pectina (polisacáridos) para formar un “gel” de pectato de calcio reticulado en el espacio extracelular de la pared. Este pectato de calcio es esencial para la resistencia de la pared celular y la adecuada reticulación de calcio aumenta la resistencia a enfermedades fúngicas y bacterianas (Marschner, 1995). Durante los períodos de expansión de las células, la mayoría de la pectina se modifica químicamente (por la adición de grupos metilo) para limitar la capacidad de calcio para enlazarse y entrecruzarse en una matriz endurecida. Al final de la fase de expansión, pectina-metilesterasas son secretadas en el espacio extracelular, se eliminan los grupos metilo y se permite la reticulación de calcio de la pectina (Cosgrove 2005).

Un segundo efecto de las altas concentraciones extracelulares de Ca es proporcionar un balance positivo de carga mediante la vinculación a los fosfolípidos cargados negativamente, carboxilatos y proteínas presentes en la cara externa de la membrana plasmática. Los iones Ca proporcionan una influencia estabilizadora y permiten el transporte de nutrientes adecuado a través de canales de proteína y transportadores. Con adecuadas concentraciones de Ca, la planta puede limitar el efecto de las sustituciones de Na y proporcionar cierto grado de tolerancia a la sal (Rengel 1992). Bajo otras estresantes condiciones, (por ejemplo, la sequía y las bajas temperaturas,) el calcio puede limitar los daños causados por congelación / descongelación (Marschner, 1995).

La limitada disponibilidad de Ca libre en el citoplasma es necesaria para que el calcio funcione como mensajero secundario, y limita la precipitación de fosfato inorgánico en fosfato de calcio insoluble. Al excluir el calcio de la región citoplásmica, las señales ambientales y de desarrollo, incluyendo (pero no limitado a) la luz, cambios en los flujos de hormonas, ataque de patógenos, la estimulación mecánica, estrés salino, el estrés osmótico y anoxia pueden activar cascadas rápidas de señalización basadas en calcio (White y Broadley 2003).

Estos cationes de Ca disponibles pueden entonces reversiblemente unirse y activar proteínas de enlace, modificando propiedades estructurales o enzimáticas que a su vez promueven interacciones proteína-proteína que producen cambios en la actividad enzimática, actividades de fosforilación de proteínas, la disposición del citoesqueleto, y la expresión génica.
Los iones de calcio pueden funcionar como un contraión para equilibrar los gradientes de protones que se forman dentro de las organelas. El papel más importante de Ca en el proceso osmoregulador es como mensajero secundario. En células de guarda, factores como la luz y el influjo de ABA requieren cascadas de señalización con base en Ca para activar los canales de K y Cl y rápidos cambios en la presión de turgencia (White y Broadley, 2003).

Nitrógeno Ureico

El nitrógeno, un nutriente esencial para el crecimiento vegetal, es el elemento más frecuentemente limitante en los suelos agrícolas. El nitrógeno se requiere en cantidades más altas que cualquier otro elemento (además del carbono, hidrógeno y oxígeno), ya que es un elemento importante de muchos componentes bioquímicos incluyendo proteínas, aminoácidos y ácidos nucleicos. Plantas deficientes en nitrógeno tienden a exhibir clorosis en las hojas más viejas, aumentan la producción de antocianinas y eventualmente presentan clorosis en hojas nuevas también. En promedio, las concentraciones de nitrógeno alrededor de 15 mg/gr peso seco son necesarios para un adecuado crecimiento de la planta (Marschner, 2011).

El nitrógeno es abundante en la naturaleza como gas N2, pero en esta forma no está disponible para que las plantas lo absorban y utilicen directamente. Asociaciones con bacterias fijadoras de nitrógeno proporcionan nitrógeno biodisponible para especies de plantas específicas (por ejemplo Rhizobia-leguminosas, especies actinorrícicas, Azospirillum y Glucoacetobacter-caña de azúcar) pero otras especies dependen de la absorción activa de formas inorgánicas [amoníaco (NH3) o nitrato (NO3-)] y orgánicas (aminoácido, proteínas, nucleósidos y ácidos orgánicos) que se encuentran dentro de la solución del suelo.

La vía de asimilación de nitrógeno implica la reducción de nitrato a nitrito a amonio con las enzimas nitrato-reductasa y nitrito-reductasa (respectivamente). El Amonio puede ser entonces asimilado en aminoácidos por medio de la vía de la glutamina sintetasa- glutamato sintasa (GSGOGAT) o por medio de la enzima glutamato deshidrogenasa. La mayoría del nitrógeno nítrico es asimilado en las raíces pero cuando la planta toma altas concentraciones de nitrato, el nitrato tiende a ser transportado a los brotes directamente y puede ser asimilado posteriormente (Dechorgnat et al 2011). Las altas concentraciones de amonio pueden tener efectos negativos en el crecimiento de la planta, por la eliminación de gradientes de pH y la inhibición del transporte de electrones y tienden a asimilarse cerca del sitio de absorción.

La urea es uno de los fertilizantes nitrogenados más populares utilizados en la agricultura (FAO), debido a su estabilidad y el alto contenido de nitrógeno. La urea necesita descomponerse en dióxido de carbono y amoniaco antes de ser asimilada en la vía de nitrógeno. La enzima ureasa hidroliza la urea a un carbamato inestable que luego se descompone a amonio y dióxido de carbono (Witte et al., 2011). La enzima ureasa se encuentra en una gama de organismos incluyendo plantas, bacterias y levaduras. La descomposición de la urea y la volatilización de amonio por las bacterias del suelo pueden eliminar una cantidad significativa de nitrógeno después de la fertilización con urea (Watson et al., 1994). Trabajar para inhibir la actividad de la ureasa en la solución del suelo es un área de interés para mejorar la eficiencia del uso del nitrógeno.

Interacciones Urea con CaCl2

El nitrógeno ureico es una de las formas más concentradas y rentables de nitrógeno comúnmente aplicado a los suelos hoy (Mérigout et al., 2008). Uno de los principales problemas con esta fuente de nitrógeno es la volatilización, que se incrementa con temperaturas más altas y condiciones más secas del suelo.

Una vez aplicado al suelo, la urea es absorbida por la microflora del suelo, o por los transportadores de urea en la planta o se descompone en amoníaco y bicarbonato por medio de la enzima ureasa. Hay evidencia que sugiere que el aumento de la concentración de Ca en el suelo (y la reducción del pH del suelo) parece limitar las tasas de volatilización del amoniaco. El calcio se une al bicarbonato liberado formando un precipitado insoluble. Esta unión del Ca al carbonato ayuda a mantener el pH del suelo bajo y limita la tasa de conversión de amonio a amoníaco (NH3) (Harrison y Webb, 2001). Una vez que se forma amoníaco, se volatiliza fácilmente a la atmósfera, por lo tanto, mediante la limitación de la tasa de reducción de amonio, el nitrógeno se evapora más lentamente desde el suelo y las plantas tienen más tiempo para tomar el nitrógeno disponible. Esta teoría se apoya en el trabajo que demuestra que la adición de CaCl2 reduce la tasa de volatilización del N (Fenn et al, 1981;. Sloan y Anderson,1995).

Los tipos de suelo juegan un papel significativo en las tasas de nitrificación. Un estudio realizado por Hauck (1984) encontró que, en suelos ácidos, la tasa de nitrificación de la urea fue del 75% mientras que la nitrificación del cloruro de amonio fue sólo 6% después de 21 días. Otro estudio encontró que las tasas de nitrificación entre diferentes fuentes de N se desaceleran cuando se aplican en suelos alcalinos (excepto en las tasas de aplicación de nitrógeno más altas)y la urea fue la única fuente de nitrógeno nitrificada en menos tiempo que el cloruro de amonio (Meelu et al., 1990). El cloruro de amonio también tomó más tiempo para nitrificarse en relación con el sulfato de amonio, lo que sugiere que el cloruro bien tiene un efecto directo sobre las tasas de nitrificación o afecta el potencial osmótico en el suelo en la medida en que las tasas de nitrificación se desaceleran. Algunos trabajos adicionales por Roseberg et al., (1986) sugieren que en suelos moderadamente ácidos, las tasas de nitrificación se reducen por el Cl y el bajo potencial osmótico de la solución del suelo.

El calcio también puede mitigar el impacto del estrés del NaCl al limitar la absorción de Na+, mientras que la concentración de Cl en las raíces permanece constante o aumenta sólo ligeramente. La alta concentración externa de Ca limita el transporte de Cl- a las hojas, mantiene altas concentraciones de Cl- en la parte basal del tallo y raíces y da lugar a un aumento de la fotosíntesis y la conductancia estomática (Banuls et al., 1991; Banuls y Primo-Millo, 1992).

Citoquininas

Las citoquininas constituyen un grupo de hormonas vegetales que promueven la división y la diferenciación celular. Su nombre proviene del término «citokinesis» que se refiere al proceso de división celular, el cual podría ser considerado como el segundo proceso madre de todos los procesos fisiológicos en los vegetales, ya que a este proceso le antecede en importancia la diferenciación celular, la cual se encarga de dar origen a la formación de cada uno de los órganos de cualquier vegetal.

Mediante este proceso (el más primordial del reino vegetal) predominantemente citoquinínico, las células vegetales son transformadas en otro tipo de células específicas para formar un órgano en particular, ya sean raíces, hojas, flores o frutos, ya que cada uno tiene diferentes tipos de células. Estos eventos no se realizan de manera exclusiva por las citoquininas, desde luego, sino que estas
hormonas son las encargadas de causar el efecto diferenciación celular, de «dar la orden» y de dirigir el proceso, en el cual intervienen otras sustancias con las que las citoquininas realizan esta tarea conjuntamente. Sin las citoquininas, probablemente no habría diferenciación de órganos vegetales.

Las citoquininas fueron descubiertas en la década de 1950 como factores que promueven la proliferación celular y mantienen el crecimiento de tejidos vegetales cultivados in vitro. Poco después de su descubrimiento, Skoog y Miller propusieron que la formación de órganos en las plantas se debe al balance existente entre las citoquininas y las auxinas. Usando cultivos de tabaco, demostraron que un balance alto de auxinas favorecía la formación de raíces mientras que un balance alto de citoquininas favorecía la formación de tallos. Aparte de su papel como reguladores de la formación de nuevos órganos, las citoquininas también intervienen en la apertura de estomas, supresión de la dominancia apical e inhibición de la senescencia de las hojas entre otros procesos.

Las citoquininas naturales pueden definirse estructuralmente como moléculas derivadas de la adenina con una cadena lateral unida al grupo amino 6 del anillo purínico. La cadena lateral puede ser de naturaleza isoprenoide o aromática. Dentro de las citoquininas isoprenoides se encuentran la zeatina, la isopenteniladenina y la dihidrozeatina. Entre las aromáticas se incluyen la benciladenina, la kinetina y la topolina. También se consideran citoquininas ciertos compuestos sintéticos derivados de la difenilurea como el CPPU y el tidiazuron, que actúan como análogos estructurales de la molécula natural y presentan una actividad muy potente.

Efectos Fisiológicos

En la célula

• Control del ciclo celular: Las citoquininas, en conjunción con las auxinas, controlan el ciclo celular de las células vegetales. Concretamente, las citoquininas regulan la entrada de la célula en la fase G1 tras la mitosis, es decir, determinan el comienzo de un nuevo ciclo al promover la acumulación de ciclinas tipo D, que se unen a kinasas dependientes de ciclinas G1. También controlan la transición entre las fases G2/M, el último punto de control antes del comienzo de la mitosis.
• Control de la diferenciación celular: Las citoquininas regulan la formación y el desarrollo del tallo. Ejercen su papel regulando la expresión de genes que determinan la identidad del meristemo apical como KNAT1 y STM (Shootmeristemless). En cultivo in vitro, las citoquininas promueven la formación de tallos en diversos tipos de explantos, como callos, hojas y cotiledones de diversas especies.
• Control del desarrollo de los cloroplastos: Las citoquininas regulan la síntesis de pigmentos fotosintéticos en los cloroplastos junto con otros factores como la luz y el estado nutricional de la célula.

En la planta

• Control de la dominancia apical: Aunque la dominancia apical está determinada principalmente por las auxinas, las citoquininas controlan la brotación de las yemas laterales. De esta forma, las citoquininas contribuyen a determinar la arquitectura de una planta.
• Retraso de la senescencia foliar: Las citoquininas ralentizan el proceso de degradación de la clorofila, el RNA, los lípidos y las proteínas que ocurre en las hojas en el otoño o al ser separadas de la planta.
• Expansión de los cotiledones: Durante la germinación, las citoquininas promueven la elongación de las células de los cotiledones en respuesta a la luz.

Conclusiones

El Nitrocrop es una familia de fertilizantes que contienen cloruro de calcio y urea. Combinando la urea con cloruro de calcio se reduce la velocidad de volatilización de nitrógeno y aumenta el crecimiento de la planta, comparado a las aplicaciones de urea sola. El calcio y cloro también son nutrientes esenciales para las plantas, necesarios para el desarrollo adecuado de las plantas y el crecimiento. La inclusión de Ca y Cl junto con nitrógeno puede inhibir el estrés ambiental (como la competencia de Ca+ con Na +), además también proporcionar el balance de carga necesaria para mantener el equilibrio del soluto que conduce a una mayor expansión de las células y mejora calidad de los cultivos y los rendimientos.

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