arveja

El níquel esta químicamente relacionado al hierro y al cobalto. Su estado de oxidación preferido es el Ni(II), pero este también puede existir en los estados Ni(I) y Ni(III). El níquel forma complejos estables, por ejemplo, con cisteína y citrato y en enzimas de níquel este está coordinado a varios ligandos.

El níquel es un elemento traza esencial (micronutriente) para un gran número de bacterias, por ejemplo, como un componente metálico en la ureasa y muchas hidrogenasas, y también para bacterias acetogénicas y metanogénicas. Hay también un número de reportes recientes sobre la estimulación de la germinación y del crecimiento en varios especies de cultivo por las bajas concentraciones de níquel en el sustrato. La primera clara evidencia de la función del níquel en la ureasa en plantas superiores fue suministrada por Dixon et al. (1975). Después, se mostró un requerimiento de níquel en leguminosas, independientemente de la forma de nutrición del nitrógeno y, ahora se ha establecido la esencialidad del níquel. De acuerdo a estos estudios, el níquel satisface los requerimientos para su clasificación como nutriente mineral para las plantas superiores. Por lo menos algunas de las funciones del níquel están ahora claramente definidas, y las plantas no pueden completar su ciclo de vida sin un adecuado suministro de níquel. El níquel es ahora por lo tanto incluido en la lista de micronutrientes.

En sistemas biológicos están bien definidas un número de enzimas en que el níquel es el componente metálico requerido para su actividad. En estas enzimas el níquel está coordinado bien a ligandos de N- y O- (e.g., en ureasa), a ligandos de S- (residuos cisteína, e.g., hidrogenasa), ó ligandos de N- de estructuras tetrapirrólicas.

En plantas superiores, la ureasa es hasta ahora la única enzima conocida que contiene níquel. La ureasa aislada de canavalia (Canavalia ensiformis L.) tiene un peso molecular de 590 kDa y consiste de seis subunidades (i.e., es hexamérica), cada subunidad contiene dos átomos de níquel. En las subunidades el níquel está coordinado a ligandos de N- y O-, y uno de las enlaces Ni–O puede posiblemente ser desplazado por moléculas de agua durante las reacciones hidrolíticas (ver abajo).

El níquel no se requiere para la síntesis de proteínas enzimáticas pero, como componente metálico, es esencial para estructura y función catalítica de las enzimas.

En hidrogenasas de bacterias reductoras de sulfato, fotosintéticas, y oxidantes de hidrogeno [i.e., las hidrogenasas de captación de hidrógeno en rizobios (Sección 7.3)] el níquel está asociado a clusters de Fe-S y puede también tomar parte en reacciones redox. Los Rhizobium y Bradyrhizobium producen hidrogenasas de captación de hidrógeno tanto en vida libre como en bacteroides en los nódulos radicales. En rizobios de vida libre, es extremadamente baja la actividad hidrogenasa sin suministro de níquel, pero puede restaurarse en tres horas al resuministrar níquel.

Cuando se suministra la urea como única fuente de nitrógeno, en ausencia de níquel fue muy pobre el crecimiento de Lemna y de cultivos celulares de soya y fue baja la actividad ureasa. La adición de níquel incremento ambos el crecimiento y la actividad ureasa más de cinco veces en el cultivo de células de soya. En plantas bajas en níquel suplidas con urea, no solo se deteriora la utilización de esta forma de nitrógeno sino también se presenta toxicidad por urea. La aplicación foliar de urea está frecuentemente asociada con la toxicidad por urea (Sección 4.3), y la severidad de los síntomas de toxicidad se relacionan estrechamente con el estado nutricional del níquel vegetal como se muestra en la Tabla 9.29 para soya. En plantas sin suministro de níquel, es baja la actividad foliar ureasa y la aplicación foliar de urea conduce a una gran acumulación de urea y a la necrosis severa de las puntas foliares. En plantas suplidas con níquel, la actividad ureasa fue mucho mayor y correspondientemente menores la acumulación de urea y necrosis.

Tabla 9.29

Efecto del suministro de níquel en la solución nutritiva y de la aplicación foliar de urea en la necrosis de la punto foliar, y en la actividad ureasa en plantas de soya ^a

Suministro de Ni

(μg l^-1)

Aplicación foliar

(mg urea por hoja)

Necrosis de puntas foliares

(% de peso seco)

Contenido de urea

(μg g^-1 peso seco)

Actividad ureasa

(μmol NH₃ h^-1 g^-1 peso seco)

100

<0.1

5.2

13.6

2.0

3.5

1038

6099

299

1583

2.2

2.7

2.4

11.8

11.3

9.6

^a En base a Krogmeier et al. (1991). Reimpreso con permiso de Kluwer Academic Publishers.

En leguminosas noduladas como la soya, los ureidos son la forma dominante del nitrógeno transportado a los vástagos (Sección 7.4) donde ellos son degradadas a NH₃ y CO₂ sin involucrar el metabolismo de la urea (Sección 8.2.3). Por consiguiente, no se espera un requerimiento de níquel particularmente alto en soya nodulada, y otras leguminosas tipo ureido, comparando con soya suplida con nitrógeno mineral. Independientemente de la forma de nutrición de nitrógeno (urea; N-NH₄; N-NO₃; fijación de N₂) en soya y caupí, sin suministro de níquel, se acumulan grandes cantidades de urea en las hojas y son severos los síntomas de necrosis de punta foliar. La Tabla 9.30 muestra que hay una gran acumulación de urea (hasta 3% del peso seco) hacia la punta de la lamina foliar en plantas deficientes de níquel. Los contenidos de ureidos son bajos y no son afectados por el suministro de níquel, lo que es también cierto para purinas libres y el ácido úrico. Estos resultados indican que la urea es un intermediario normal en el metabolismo del nitrógeno (ver abajo).

Tabla 9.30

Efecto del suministro de níquel durante el crecimiento en el contenido de urea, ureidos y níquel en hojas maduras de caupí suplido con NH₄NO₃ ^a

Parte de la hoja

Contenido en peso seco

Urea

(μmol g^-1)

Ureido

(μmol g^-1)

Níquel

(μg g^-1)

+Ni

-Ni

+Ni

-Ni

+Ni

-Ni

Pecíolo

Base lamina

Punta lamina

0.11

0.56

2.16

18.1

238.4

3.6

4.5

3.73

0.11

^a En base a Walter et al. (1985) ; ND = no determinado.

Cuando fueron usadas semillas a partir de plantas cultivadas bajo condiciones bajas en níquel también se encontraron grandes acumulaciones de urea y necrosis severa de la punta foliar en plantas de trigo, cebada, y avena sin suministro de níquel. El crecimiento radical y caulinar fue significativamente menor en las plantas privadas de níquel, que fueron menos verdes, desarrollaron necrosis y clorosis intervenal, y los 2 cm terminales de las hojas fallaron en su despliegue.

En semillas de cebada a partir de plantas cultivadas con bajo suministro de níquel se presenta una estrecha relación entre el contenido de níquel, la viabilidad, la tasa de germinación y el vigor de la plántula. Esta relación para la tasa de germinación se muestra en la Fig. 9.20.

Fig. 9.20 Relación entre el contenido seminal de níquel y el porcentaje de germinación en cebada. (Redibujado a partir de Brown et al-. 1987a; con permiso de la American Society of Plant Physiologists)

La viabilidad de las semillas deficientes en níquel no puede ser restaurada al empapar las semillas en una solución que contiene níquel, demostrando que el níquel es esencial para el normal desarrollo de semilla en las plantas maternas y, de este modo, para completar el ciclo de vida en la planta de cebada.

Por lo menos en cebada, el nivel crítico de deficiencia de níquel está en el rango de 0.1 μg g^-1 peso seco, y a menores contenidos se acumulan aminoácidos y nitrato. Los cambios en el contenido de ácidos orgánicos y otros solutos pueden resultar a partir de los eventos secundarios de las perturbaciones en el metabolismo del nitrógeno en plantas deficientes en níquel. No es claro hasta que punto varios de estos efectos de la deficiencia de níquel están directamente relacionados con la función del níquel en la ureasa. En cualquier caso estos estudios demuestran que en el metabolismo del nitrógeno la urea es un metabolito normal cuya concentración tiene que ser mantenida a un nivel bajo a fin de evitar su toxicidad. Se conocen en las plantas varías vías de biosíntesis de la urea (Fig. 9.21). El ciclo de la ornitina para la biosíntesis de urea probablemente es de importancia general, así como la mayor tasa de formación de urea durante la degradación proteica, por ejemplo, en hojas maduras, al principio del crecimiento reproductivo y en la germinación de semillas de leguminosas.

Fig. 9.21 Vías de biosíntesis de urea en plantas. (Modificado a partir de Walter et al., 1985.)

En la mayoría de plantas el contenido de níquel en los órganos vegetativos está en el rango de 1-10 μg g^-1 peso seco, y este rango refleja principalmente las diferencias entre especies vegetales en la toma y en el transporte del níquel de la raíz al vástago. El níquel es fácilmente móvil en el xilema y el floema, y en algunas especies vegetales es preferentemente translocado a las semillas. Esto es particularmente cierto para las Fabaceae como se muestra en la Tabla 9.31 en un ejemplo típico a partir de un gran numero de especies. El molibdeno es el único otro micronutriente que es acumulado tan preferentemente en las semillas de leguminosas.

Hasta ahora no hay evidencia clara de deficiencia de níquel en plantas cultivadas en suelo, ó en bacterias del suelo, a pesar de que en un experimento en macetas con un suelo calcáreo en trigo suplido con urea, el suministro simultaneo de níquel realzo el crecimiento, aún hasta a contenidos caulinares de níquel de 15-22 μg g^-1 peso seco.

En general, en plantas de cultuvo hay una mucha mayor preocupación respecto a la toxicidad por níquel, por ejemplo, en relación a la aplicación de aguas negras que son frecuentemente altas en níquel. Los niveles críticos de toxicidad están en el rango de >10 μg g^-1 peso seco en especies sensibles, y >50 μg g^-1 peso seco en especies moderadamente tolerantes. En trigo los niveles críticos de toxicidad se incrementan desde 63 a 112 μg g^-1 peso seco con el creciente suministro de urea. En especies sensibles, se inhibe severamente el crecimiento radical aún debajo de los 5 μм Ni cuando es baja la concentración de Ca²⁺.

Los suelos de serpentina (ó más precisamente, ultramáficos son usualmente muy altos en hierro, magnesio, níquel, cromo, pero muy bajos en calcio. La flora de estos suelos incluyen muchas especies (e.g., del genero Alyssum) que exhiben hiperacumulación de níquel, en donde el contenido de níquel en las hojas puede alcanzar 10-30 mg g^-1 peso seco. La tolerancia al níquel en estas hiperacumuladoras es conseguida principalmente mediante la complejación del níquel con ácidos orgánicos, en particular málico y cítrico; siendo la estabilidad de los complejos con ácido cítrico cerca de 150 veces mayor que la de los complejos con ácido málico. En suelos de debajo del dosel de árboles hiperacumuladores existe una mucha mayor proporción de bacterias resistentes al níquel que las que están mas allá del dosel indicando la alta tasa de ciclaje de níquel en el “microecosistema” de estos árboles.

Tabla 9.31 Contenido de níquel y otros micronutrientes en las partes caulinares vegetativas y en las semillas de lupino (Lupinus polyphyllus) y centeno (Secale cereale) ^a
Especie		Contenido (μg g^-1 peso seco)
Especie		Ni	Mo	Cu	Zn	Mn	Fe
Lupino Centeno	Caulinar Seminal Caulinar Seminal	0.81 5.53 0.62 0.28	0.08 3.29 0.17 0.33	3.6 6.0 1.6 4.4	28 41 7 25	298 49 16 27	178 47 78 26
^a A partir de Horak (1985a)