10.4 Cobalto

El rol del cobalto como un elemento mineral esencial para rumiantes fue descubierto en 1935 en investigaciones en campo para la producción de ganado en Australia. Se estableció 25 años después el requerimiento del cobalto para la fijación del N₂ en leguminosas y en nódulos radicales de no leguminosas (e.g., aliso). Cuando se cultivó Medicago sativa bajo condiciones ambientales controladas con un mínimo de contaminación de cobalto, las plantas dependientes de la fijación del N₂ crecieron pobremente, pero su crecimiento se realzo fuertemente mediante el suministro de cobalto; en contraste, las plantas alimentadas con nitrato crecieron igualmente bien con ó sin suministro de cobalto. Kliewer & Evans (1963a) aislaron la coenzima cobalamina B₁₂ a partir de nódulos radicales de leguminosas y no leguminosas, y demostraron la interdependencia del suministro de cobalto, del contenido de la coenzima B₁₂ del Rhizobium, de la formación de leghemoglobina, y de la fijación de N₂. En base a estos estudios y a reportes posteriores por otros autores, se ha establecido que el Rhizobium y otros microorganismos fijadores de N₂ tienen un requerimiento absoluto de cobalto ya sea ó no que estén creciendo dentro de los nódulos e independiente de si son dependientes de un suministro de nitrógeno a partir de la fijación de N₂ ó a partir de nitrógeno mineral. Sin embargo, para estos microorganismos la demanda del cobalto es mucho mayor cuando la nutrición es por fijación de N₂ que por nutrición por amonio.

La coenzima cobalamina (vitamina B₁₂ y sus derivados) tienen al Co(III) como el componente metálico, quelatado a cuatro átomos de nitrógeno en el centro de la estructura de porfirina similar a aquella del hierro en la hemina. En especies de Rhizobium (y Bradyrhizobium), se conocen tres enzimas por ser dependientes de la cobalamina y los cambios inducidos por el cobalto en sus actividades son responsables principalmente de la relación entre el suministro de cobalto, la nodulación, y la fijación de N₂ en leguminosas. Estas enzimas son:

1. Metionina sintasa. Bajo condiciones de deficiencia de cobalto se deprime la síntesis de metionina (Tabla 10.12) lo que conduce presumiblemente a una menor síntesis de proteínas y contribuye al menor tamaño de los bacteroides (Tabla 10.12).

2. Ribonucleótido reductasa. Esta enzima está involucrada en la reducción de los ribonucleótidos a desoxirribonucleótidos y por lo tanto en la síntesis de DNA. De acuerdo con esto, el contenido de DNA por célula es menor (Tabla 10.12) y hay menos y más grandes bacteroides en los nódulos radicales de plantas deficientes de cobalto que en los de plantas normales, indicando la depresión en la división de las células rizobianas.

3. Metilmalonil-CoA mutasa. Esta enzima esta involucrada en la síntesis de hemo (porfirinas de hierro) en bacteroides y de este modo –en cooperación con las células hospederas del nódulo- en las síntesis de la leghemoglobina. Por lo tanto, bajo condiciones de deficiencia de cobalto la síntesis de leghemoglobina es directamente deteriorada, un ejemplo de esto ha sido mostrado en la Sección 7.4.5.

La deficiencia  de cobalto afecta el desarrollo y función nodular a diferentes niveles y grados como se mostró en la Tabla 10.13 para nódulos de lupino de 6 semanas de edad. Cuando los lupino cultivados en suelo deficiente de cobalto fueron suplidos con cobalto, se incrementó el peso y contenido de cobalto del nódulo, así como el número de bacteroides y cantidad de cobalamina y leghemoglobina por unidad de peso fresco. Algo sorprendente pero en concordancia con los resultados de otros autores, fue que solo cerca del 12% del cobalto total en el nódulo estaba ligado a la cobalamina en las plantas deficientes (Tabla 10.13). Nada se conoce acerca de la ubicación, enlace químico, y las posibles funciones en los nódulos del cobalto que no está disponible para la formación de cobalamina. Aunque los resultados en la Tabla 10.13 sugieren que la síntesis de cobalamina y leghemoglobina son los parámetros mas sensibles, resultados mas recientes indican que es la proliferación de los rizobios la que es más severamente deteriorada bajo la deficiencia de cobalto, y que los bajos contenidos de leghemoglobina son la consecuencia de este deterioro. El resuministro de cobalto a los nódulos deficientes incrementa el contenido de bacteroides por gramo peso fresco nodular, la masa nodular y la actividad de fijación de N₂, pero el grado de respuesta declina con la creciente edad del tejido nodular.

En leguminosas cultivadas en suelos deficientes en cobalto la actividad nodular es consistentemente menor en plantas sin suministro de cobalto. Esta menor actividad se refleja en cualquiera la actividad nitrogenasa (Sección 7.4.5) ó en el contenido de nitrógeno en las plantas (Fig. 10.8). En leguminosas dependientes de la fijación de N₂ la deficiencia de cobalto se indica por lo tanto por los típicos síntomas de deficiencias de nitrógeno.

En leguminosas cultivadas en suelos deficientes de cobalto, la infección con Rhizobium es a menudo menos extensa que en plantas suplidas con cobalto, y se retrasa varias semanas el comienzo de la fijación de N₂, como lo indica la acumulación de nitrógeno en las plantas (Fig. 10.8). La inoculación con Rhizobium tiene poco efecto cuando se ha suplido cobalto pero es bastante efectiva en plantas deficientes en las posteriores etapas de crecimiento. Esto puede sugerir que en suelos deficientes de cobalto ya suceden limitaciones aún en la etapa de sobrevivencia e infectividad del rizobio. Sin embargo, otra evidencia indica que no son importantes las limitaciones externas de cobalto sino las internas, es decir la inhabilidad de la planta hospedera de proporcionar suficiente cobalto para los rizobios en los nódulos en desarrollo.

Fig. 10.8 Efecto del cobalto e inoculación con Rhizobium sobre la acumulación de nitrógeno en el tiempo en Lupinus angustifolius L. cultivado en un suelo deficiente en cobalto (ocho plantas por maceta). (Dilworth et al., 1979)

Con deficiencia de cobalto, hay una acumulación preferencial de cobalto en los nódulos. Tomando como base a la planta entera, sin embargo, las raíces tienen el mayor contenido de cobalto. La proporción de cobalto en los vástagos, nódulos y raíces es 1:6:15 en plantas deficientes de cobalto y 1:3:25 en plantas suficientes de cobalto. En plantas deficientes el contenido de cobalto en los nódulos varía entre 20 y 170 μg g^-1 peso fresco nodular, dependiendo de la especie vegetal. Aunque el contenido de cobalto en la materia seca caulinar es mucho mayor en plantas fertilizadas con cobalto, el contenido es un mal indicador en el diagnostico de deficiencia de cobalto, por lo menos en Lupinus angustifolius.

El contenido seminal de cobalto en la misma especie varia ente plantas cultivadas en diferentes lugares. Se ha encontrado en Lupinus angustifolius entre 6 y 730 ng cobalto por gramo peso seminal. Por consiguiente, cuando se cultivan en suelos deficientes de cobalto y son dependientes de una fijación de N₂ hay una estrecha relación entre el contenido seminal de cobalto, el crecimiento vegetal, el contenido de nitrógeno y la severidad de los síntomas visuales de deficiencia de nitrógeno. Como se mostró en la Fig. 10.9 el crecimiento respuesta caulinar a los crecientes contenidos en la semilla es muy fuerte hasta cerca de los 200 ng Co g^-1 peso seco seminal, pero aún a los 400 ng Co g^–1 peso seco seminal hay todavía un crecimiento caulinar 10% mayor en el suelo suplido con cobalto.

Fig. 10.9 Relación entre el contenido seminal de cobalto y crecimiento caulinar respuesta de Lupinus angustifolius L. al cobalto aplicado. (En base a Robson & Snowball, 1987)

En lupino de semillas grandes cerca de 100 ng Co g-¹ peso seco seminal es suficiente para evitar la deficiencia de cobalto en plantas cultivadas en suelos deficientes de cobalto. El tratamiento de semillas con cobalto es por lo tanto un procedimiento efectivo para sustentar la fijación de N₂ y el crecimiento de leguminosas en suelos deficientes en cobalto.

Son raras en leguminosas noduladas las respuestas en campo a la fertilización con cobalto pero se han demostrado, por ejemplo, en suelos arenosos silíceos pobres. Las aspersiones foliares son bastante efectivas, pero son menos que la combinación del tratamiento a la semilla y aspersión foliar (Tabla 10.14). En maní y fríjol gandul el efecto mas notable de la combinación de la aspersión foliar y el tratamiento a la semilla fue en el contenido de leghemoglobina que se incrementó  3 a 4 veces en la masa nodular. El efectividad de las aspersiones foliares indican una razonable retraslocación del cobalto desde las hojas, como también se ha mostrado después de la aplicación de cobalto marcado a hojas de trébol y alfalfa. En el floema el cobalto parece ser translocado en gran parte como un complejo cargado negativamente.

Hay considerables diferencias en la sensibilidad de las especies de leguminosas a la deficiencia de cobalto. Lupinus angustifolius es particularmente sensible en comparación con Trifolium subterraneum. En L. angustifolius el cobalto incremento el rendimiento y la cantidad total de nitrógeno por planta pero, inesperadamente, disminuyo significativamente el contenido de nitrógeno como porcentaje del peso seco. No obstante, las plantas tratadas con cobalto se vieron saludables y fueron verde oscuras, mientras que las plantas deficientes en cobalto no parecieron saludables y tenían hojas amarillentas. Uno puede por lo tanto especular que el crecimiento de los nódulos radicales sustento el crecimiento vegetal no solo mediante la fijación de N₂ sino también mediante otros factores como con las citoquininas.

No hay evidencia de que el cobalto tenga un rol directo en el metabolismo de plantas superiores. Un notable crecimiento respuesta al cobalto fue reportado por Wilson & Hallsworth (1965) en trébol suplido con nitrógeno mineral ó inoculado con cepas no efectivas de Rhizobium. Una respuesta similar fue mencionada en trigo y Hevea. Estas respuestas al cobalto en plantas no fijadoras de N₂ son siempre pequeñas, y probablemente reflejan efectos beneficiosos de naturaleza desconocida. Requieren confirmación los reportes sobre la presencia de una enzima dependiente de cobalamina, la leucina-2,3-aminomutasa en papa. En contraste a las plantas superiores, en plantas inferiores fotosintéticas como la Euglena gracilis, la cobalamina es esencial para el crecimiento y está localizada en varias fracciones subcelulares y en los tilacoides de los cloroplastos.

El cobalto estimula el crecimiento por extensión cuando es añadido a tejido vegetal escindido ó a órganos como coleoptilos e hipocótilos. La inhibición de la formación de etileno endógeno por el cobalto parece estar involucrada con esta estimulación, un efecto que es también responsable del alargue de la vida de las rosas de corte mediante la aplicación de cobalto.

En suelos deficientes en cobalto la aplicación puede no solo realzar la fijación de N₂ en leguminosas sino también contribuir a la calidad nutricional de plantas forrajeras para rumiantes. El cobalto es esencial para los rumiantes debido a que así la microflora de rumen puede sintetizar suficiente vitamina B₁₂ para satisfacer las necesidades del animal. Los no rumiantes, incluyendo humanos, no obstante tienen un requerimiento de vitamina B₁₂ preformada. Esta extendida la deficiencia de cobalto en rumiantes que pacen en suelos bajos en cobalto. El contenido critico de cobalto para los rumiantes es cerca de 0.07 mg kg^-1 peso seco forraje, lo que es, mayor que el contenido crítico para la fijación de N₂ en leguminosas. En promedio el contenido de cobalto vegetal varia entre 0.05 y 0.30 mg kg^-1 y es usualmente mayor en leguminosas que en pasturas.

Hay reportes contradictorios sobre los contenidos críticos de toxicidad del cobalto, variando los valores desde 0.4 mg kg^-1 peso seco en trébol, a mas de unos pocos miligramos por kilogramo peso seco en fríjol y col. En especies de cultivo y pasturas hay también notables diferencias genotípicas en la tolerancia a contenidos excesivos de cobalto en los vástagos. En algunas especies vegetales (hiperacumuladoras) adaptadas a suelos metalíferos el contenido de cobalto puede alcanzar 4000-10 000 mg kg^-1 peso seco.  

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