Topologické vlastnosti C3 a C4 metabolických sítí
metabolismus model Arabidopsis AraGEM zahrnuje 1498 unikátní reakce, 1765 metabolitů, 83 inter-organela, transportéry a 18 inter-buněčné transportéry . Pro model metabolismu rostlin C4 c4gem existuje 2377 reakcí, 2886 metabolitů, 177 inter-organelových Transportérů a 23 externích transportérů ., Topologické vlastnosti modelů AraGEM a C4GEM byly analyzovány pomocí pajek, kde jsou reakce reprezentovány jako uzly a metabolity jako hrany. Mezi těmito dvěma modely byly porovnány některé důležité topologické parametry, jako je průměrný stupeň, mezikružnost, průměrný koeficient shlukování a vzdálenost, jak je znázorněno v tabulce 1.Výsledky prokázaly, že AraGEM má hustší strukturu, než C4GEM, protože C3 rostlin je single-buněk, zatímco C4 rostlin se skládá z mesophyll buňky a bundle pouzdro mobil, spojení mezi dvěma-buňky nejsou tak blízko, jako single-cell., Poté jsme extrahovali primární metabolismus ze sítí C3 a C4, včetně Calvinova cyklu, fotorespirace, cyklu TCA, metabolismu dusíku, metabolismu sacharózy a škrobu a některých hlavních cest metabolismu aminokyselin. Pomocí NET-syntézy jsme vypočítali redundanci primární metabolické sítě C3 a C4, což je 0,7175 a 0,7606. To znamená, že síť C4 je více redundantní, takže rostlina C4 by mohla být robustnější vůči genové mutaci nebo změnám prostředí.,
Improved models by setting the ratio of carboxylation and oxygenation by Rubisco
Rubisco enzyme (EC: 4.1.1.,39) katalyzované dvě různé reakce s CO2 a O2, respektive v fotosyntéza a photorespiration:
Tam je konstantní poměr mezi mírou carboxylation a okysličení podle zvláštních parciální tlak CO2 a O2 v prostředí ., Proto je těžké přesně simulovat tok měnit za různé koncentrace CO2 bez omezení na rychlost obou reakcí Rubisco, což je právě omezení AraGEM a C4GEM. Zde jsme se zlepšili dva modely tím, že kombinuje dvě reakce do jedné reakce:
poměr r mezi carboxylation a okysličení v rámci různé koncentrace CO2 na C3 a C4 model je uveden v Tabulce 2., Podrobný výpočet r je v sekci metody.
kromě toho, naše motivace bylo porovnat rozdíly mezi C3 a C4 fotosyntézy mechanismu a jejich odpovědi v rámci různých prostředích, proto jsme si stanovili cíl fungovat jako maximalizace fixace CO2 a syntézu biomasy., Protože v předchozích AraGEM a C4GEM, cílem bylo, aby se minimalizovalo využití světelné energie při dosažení zadané tempo růstu, potřebujeme, aby některá omezení toku podle znalosti biochemie. Například, únik CO2 byla zablokována z bundle pouzdro na mesophyll buňku s nulovým tokem v C4GEM, které není v souladu s aktuální situací; zde jsme upravili horní mez této reakce k umožnění úniku CO2. Kromě toho, protože škrob není syntetizován v mezofylové buňce rostlin C4, byly také resetovány složky biomasy C4GEM., Dolní a horní hranice toku v cyklu TCA byly upraveny jako -50 a 50, aby se omezil tok dýchání v mitochondriích. Detail upravených omezení v našich vylepšených modelech lze získat z dalšího souboru.
účinky knock-out enzymů na metabolický tok
na základě zlepšených metabolických sítí C3 a C4 jsme porovnali optimální tok syntézy biomasy a fixace CO2 pomocí FBA. Pokud je syntéza biomasy objektivní funkcí, maximální tok biomasy je 3.661 a 4.625 mmol * gDW·1 * hr-1 v sítích C3 a C4., Podobně při optimalizaci fixace CO2 je maximální tok 200,95 mmol * gDW-1·hr-1 v síti C3 a 387,619 mmol·gDW-1 * hr-1 v síti C4. Ukázalo se, že síť C4 vykazovala jak vyšší toky biomasy, tak fixaci CO2 než síť C3, což bylo v souladu se skutečnou tendencí. Dospěli jsme k závěru, že dvě metabolické sítě v genomu by mohly vysvětlit skutečné situace a porovnat je pro pochopení podobností a rozdílů rostlin C3 a C4.
dále jsme vyhodnotili účinky enzymových knockoutů na tok fixace CO2 a biomasy., Když byl jeden enzym vyřazen, jeho odpovídající reakce by byly odstraněny, což mělo za následek změny optimálního toku biomasy nebo fixace CO2. Objektivní výsledky simulace byly klasifikovány jako nezměněný cíl (poměr = 1), snížený cíl (poměr ∈ (0, 1)) a žádný cíl (poměr = 0). Účinky jednorázové delece reakce na maximální tok biomasy v síti C3 a C4 jsou uvedeny v tabulce 3. Více než 85% reakce žádný vliv na maximální biomasy C3 a C4 sítě, když je vyřadili, tak jsme dospěli k závěru, že obě sítě mají úžasnou odolnost., Téměř 10% reakcí by mělo za následek nulovou biomasu v sítích C3 a C4, které zahrnují některé důležité transportéry. Jeden smazání důležitých reakcí nebo enzymů jako phosphoribulokinase (PRK, ES: 2.7.1.19) a světelný reakce může mít za následek ne biomasy, což je v souladu s skutečné vlastnosti rostlin .,
účinky jednotlivých reakce mazání na C3 a C4 sítě, když objektivní funkce je fixace CO2 jsou uvedeny v Tabulce 4, které je podobné Tabulky 3. Více než 96% reakcí nemá žádný vliv na maximální tok fixace CO2, když je odstraněno v sítích C3 a C4. Dospěli jsme k závěru, že více reakcí nemá žádný vliv na maximální tok fixace CO2 než biomasa., Protože syntéza biomasy zahrnuje mnoho složek, které se zabývají více než jednou reakcí, jejich delece ovlivní tok syntézy biomasy. Kromě toho, je zřejmé, že C4 rostliny vykazují mnohem lepší odolnost než C3 rostliny, protože vyšší procento enzymu, vykrojení výsledek, žádná změna na objektivní tok a nižší procentuální výsledek v žádné tavidlo. Kromě toho jsme zjistili, že všechny základní reakce v síti C3 jsou také nezbytné pro C4, zatímco pro C4 existují některé další reakce, které jsou specificky nezbytné., Tento výsledek ukázal, že základní metabolismus rostlin C4 byl podobný C3, ale C4 se stal složitějším během dlouhého období evoluce.
zjistili Jsme, že tam jsou některé mezery v C4GEM při kontrole xylózy cesta ve dvou sítích. V AraGEM, existují dvě cesty k výrobě xylózy, tak knockout UDP-glukóza-6-dehydrogenázy (UDPGDH, ES:1.1.1.22) nebude mít vliv na syntézu biomasy., Ale v C4GEM, pouze UDPGDH byl zodpovědný za xylózy produkce, jiná alternativní cesta nefunguje, protože dva chybějící enzymy, xylózy izomeráza (ES: 5.3.1.5) a xylulokinase (ES:2.7.1.17). Prohledali jsme GeneBank databáze, aby zjistil, že geny (GeneID: 100194128, 100194385) kódování xylózy izomeráza a geny (GeneID:100282641, 100382670) kódování xylulokinase. Takže jsme doplnili cestu xylózy v C4GEM, takže se lze vyhnout zkresleným výsledkům.
dále jsme zkoumali účinky jednotlivých klíčových enzymů na fotosyntézu a syntézu biomasy v rostlinách C3 a C4., Tabulka 5 ilustrovala tyto enzymy, jejich funkce a poměr objektivního toku po vymazání. ‚0‘ znamená, že zaklepal-out enzymu, což ne toku biomasy nebo CO2 fixace, zatímco ‚1‘ znamená, že nemáme žádný vliv na maximální tok biomasy nebo CO2 fixace. Knockouty enzymů v Calvinově cyklu mají smrtelné účinky na sítě C3 I C4. Například centrální enzym Calvinova cyklu, Rubisco (EC: 4.1.1.39) katalyzuje fixaci CO2 i O2., Jeho vymazání má za následek nulový tok fixace CO2 a biomasy, což odpovídá skutečnosti, že fotosyntéza a růst rostlin pozitivně korelují s aktivitou Rubisco . Při mazání transaldoláza (TAL, ES: 2.2.1.2) v pentózového cyklu a sůl glykolátu oxidázy (LOX, ES: 1.1.3.15) v glyoxylát a dikarboxylát metabolismus cesta, fixace CO2 a biomasy bude také snížit na nulu tok v těchto dvou rostlin . Aconitázy (EC: 4.2.1.3) jsou důležitým enzymem v TCA cyklu, jeho knockout snížil tok fixace CO2 a zcela bez toku biomasy v sítích C3 I C4 .,
knockout hosphoglycolate fosfatázy (PGLP, ES: 3.1.3.18) nemá žádný vliv na fixace CO2 a biomasy syntézu, protože katalyzuje první reakci photorespiratory C2 cyklu . Sacharóza-6(F)-fosforečnan fosfohydroláza (SPP, EC: 3.1.3.24) katalyzuje poslední krok v cestě biosyntézy sacharózy ., Jeho delece nemá žádný vliv, protože syntéza sacharózy se nachází v cytosolu a nemá přímou souvislost s fotosyntézou. Amyláza izomeráza (ES: 2.4.1.18) je zodpovědný za syntézu přechodné škrob v chloroplastu, což je kritické reakce pro normální biosyntéze skladování škrobu, takže jeho odstranění má smrtící účinek na biomasu toku pro oba C3 a C4 rostlin .
v rostlinách C4 Fosfoenolpyruvátkarboxyláza (PEPC, EC: 4.1.1.,31) zejména provádí počáteční fixaci atmosférického CO2 ve fotosyntéze, která katalyzuje karboxylaci fosfoenolpyruvátu (PEP) v reakci, která poskytuje oxaloacetát a anorganický fosfát . Proto vyřazení PEPC vedlo k nulovému toku biomasy, což potvrzuje její klíčovou roli ve fotosyntéze C4. Pyruvát vápenatý dikinase (PPDK, EC: 2.7.9.1) katalyzuje přeměnu 3-uhlíkové sloučeniny pyruvátu do fosfoenolpyruvátu., Jeho delece snížila tok fixace CO2 a biomasy, což je v souladu s výsledky experimentů, které inhibice PPDK významně brání růstu rostlin C4 . Pro srovnání, tyto dva enzymy nemají žádný vliv na fixaci CO2 a biomasu v síti C3.
Korelované reakce sady identifikovat podle Vzorků
Tam jsou některé reakce co-využity v přesné stechiometrické poměry a vykazují korelaci tok v metabolické síti, která se nazývá korelační reakce sady., Použili jsme jednotnou metodu náhodného odběru vzorků k určení závislostí mezi reakcemi, které lze dále použít k definování modulů reakcí . Zjednodušený model sítě C3 má 494 reakcí, 483 metabolitů a úzký rozsah omezení, které lze rozdělit na 65 modulů a největší modul se skládá z 92 reakcí. Zjednodušený model sítě C4 má 826 reakcí, 806 metabolitů a úzký rozsah omezení, které lze rozdělit na 113 modulů a největší modul se skládá ze 169 reakcí. V síti C4 existuje více korelovaných reakčních sad než síť C3.,
toky reakcí ve stejném modulu vykazují lineární korelaci. Zjistili jsme, že reakce v Calvinově cyklu jsou korelovány jak v síti C3, tak v síti C4, jak je znázorněno na obrázku 3 a 4. Existují však některé reakce z různých drah, které také vykazují lineární korelaci v síti C4, ale nejsou korelovány v modelu C3., Například, reakce z metabolismu Cukru, Stibene, counarine a biosyntézu ligninu, a Coumarine a phenylpropanoid biosyntéza dráhy jsou významně korelovány v C4 (viz Obr. 5), ale žádná korelace mezi nimi v C3 (viz Obrázek 6). Ukázalo se, že rostliny C4 mají lepší modularitu s komplexním mechanismem koordinuje reakce a cesty než u rostlin C3.
Korelované reakce sady Calvin cyklu v C3 sítě.,
Correlated reaction sets of Calvin cycle in C4 network.
The reactions from several pathways are correlated in C4 network.,
reakce z několika cest stejné s C4 nejsou korelované v C3 sítě.
Srovnání reakcí na různé podmínky prostředí
biomasy a fixace CO2 C3 a C4 modely byly simulovány pod různou intenzitou světla, jak je znázorněno na Obrázku 7 a 8., C3 model (červená na Obrázku 7) a C4 model (modrá na Obrázku 7), představila lineární vztah mezi biomasou a intenzity světla, když intenzita světla je menší než 1500. S rostoucí intenzitou světla by se biomasa v modelu C4 nezměnila a v modelu C3 se stále zvýšila. C3 model (červená na Obrázku 8) a model C4 (modrá na Obrázku 8) také prezentovány lineární vztah mezi fixace CO2 a intenzita světla, kdy intenzita světla je menší než 1600. Pak se fixace CO2 téměř nezměnila., Zvýšení fixace biomasy i CO2 s intenzitou světla v C4 je rychlejší než u C3, což odráží efektivnější využití sluneční energie v závodech C4 . Kromě toho jsme simulovali tok syntézy biomasy a fixaci CO2 pod různou koncentrací CO2, jak je znázorněno na obrázku 9 a 10. Čím více koncentrace CO2 se zvyšuje, tím více toku biomasy a fixace CO2, a zvýšení se postupně mění pomalu, dokud se do ustáleného stavu. Simulovaná křivka byla v souladu s křivkou experimentu a-Ci ., Zjistili jsme, že zvýšení fixace biomasy i CO2 s koncentrací CO2 v C4 je rychlejší než u C3, což odráží efektivnější využití CO2 v závodech C4.
vliv intenzity světla na syntézu biomasy v C3 a C4 model.
vliv intenzity světla na CO 2 fixace v C3 a C4 model.,
The effect of CO 2 concentration on biomass synthesis in C3 and C4 model.
The effect of CO 2 concentration on CO 2 fixation in C3 and C4 model.,
Příspěvek různých C4 podtypy, aby produkce biomasy
C4 rostliny mohou být klasifikovány do tří podtypů podle dekarboxylace režimy: NADP-jablečná enzymů (NADP-ME), NAD-jablečná enzymu (NAD-JÁ) a PEP carboxykinase (PCK). Zkoumali jsme vliv každého podtypu na syntézu biomasy a fixaci CO2, blokováním toku dalších dvou enzymů a dostatečným přísunem vody a dusíku. Jak je znázorněno v tabulce 6, pro každý specifický podtyp má pouze odpovídající enzym tok a další dva enzymy mají nulový tok., Ve třech podtypech jsou na biomase malé rozdíly. Pro srovnání, tok biomasy a fixace CO2 jsou maximální v PCK podtypu. Navíc, když se předpokládá, že všechny tři podtypy jsou aktivní v jednom metabolickém systému, je podtyp PCK lepší než pro dekarboxylaci CO2. Tyto výsledky jsou v souladu s Fravolini experimenty, které fotosyntetické výkonnosti a nadzemní biomasy výroba B. curtipendula, (PCK podtyp) jsou větší než NADP-ME a NAD-MI typy ., Fotosyntéza a biomasa různých podtypů však závisí také na podmínkách prostředí, včetně zásobování vodou a dusíkem . Například některé druhy typu NADP-ME vykazují vyšší míru fotosyntetické a biomasové produkce za nízké dostupnosti dusíku . Proto, aby se jasně objasnila nadřazenost podtypů C4, je zapotřebí další návrh a analýza za vícefaktorové kombinace podmínek prostředí.,