Topologiske egenskaber af C3 og C4 metaboliske netværk
stofskiftet model af Arabidopsis AraGEM omfatter 1498 unikke reaktioner, 1765 metabolitter, 83 inter-organel transportører, og 18 inter-cellular-transportører . For metabolismemodellen for C4-planter C4GEM er der 2377 reaktioner, 2886 metabolitter, 177 inter-organelle transportører og 23 eksterne transportører ., De topologiske egenskaber af aragem-og c4gem-modeller blev analyseret ved anvendelse af pajek, hvor reaktioner er repræsenteret som knuder og metabolitter som kanter. Nogle vigtige topologiske parametre såsom gennemsnitlig grad, mellem centralitet, gennemsnitlig klyngekoefficient og afstand blev sammenlignet mellem disse to modeller, som vist i tabel 1.Resultaterne viste, at de AraGEM har en mere tætte struktur end C4GEM, fordi C3 anlægget er enkelt celle, mens C4-plante består af mesophyll celle og samle jakke celle, forbindelser mellem to celler ikke er så tæt som enkelt-celle., Derefter ekstraherede vi den primære metabolisme fra C3 – og C4-netværk, herunder Calvin-cyklus, fotorespiration, TCA-cyklus, nitrogenmetabolisme, saccharose og stivelsesmetabolisme og nogle vigtige aminosyremetabolismeveje. Ved hjælp af NETSYNTESE beregnet vi redundansen af det primære metaboliske netværk af C3 og C4, som er henholdsvis 0.7175 og 0.7606. Det betyder, at C4-netværket er mere overflødigt, så C4-anlægget kan være mere robust over for genmutation eller miljøændringer.,
Improved models by setting the ratio of carboxylation and oxygenation by Rubisco
Rubisco enzyme (EC: 4.1.1.,39) katalyseret to forskellige reaktioner med CO2 og O2 i henholdsvis fotosyntese og fotorespiration:
Der er et konstant forhold mellem sats af carboxylation og iltning under særlige partialtrykket af CO2 og O2 i miljøet ., Derfor er det svært at nøjagtigt simulere Flu changeændringen under forskellige CO2-koncentrationer uden begrænsninger på hastigheden af de to reaktioner fra Rubisco, hvilket kun er begrænsningen af AraGEM og C4GEM. Her har vi forbedret de to modeller ved at kombinere de to reaktioner i en reaktion:
forholdet, r, mellem carboxylation og iltning under forskellige CO2-koncentration i C3 og C4 model er vist i Tabel 2., Detaljeret beregning af r er i afsnittet metoder.
hertil kommer, at vores motivation var at sammenligne forskelle mellem C3 og C4 fotosyntese-mekanisme, og deres svar under forskellige miljøer, derfor har vi sat mål funktion som maksimering af CO2-fiksering og biomasse syntese., Siden i tidligere AraGEM og C4GEM var målet at minimere brugen af lysenergi og samtidig opnå en bestemt vækstrate, vi er nødt til at nulstille nogle Flu .begrænsninger i henhold til biokemisk viden. For eksempel blev CO2 lækage blokeret fra bundle kappe til mesophyll celle med nul Flu.i C4GEM, hvilket ikke var i overensstemmelse med den faktiske situation; her justerede vi den øvre grænse af denne reaktion for at tillade lækage af CO2. Fordi stivelse ikke syntetiseres i mesophyll celle af C4 planter, blev biomassekomponenterne af C4GEM også nulstillet., De nedre og øvre grænser for Flu.i TCA cyklus blev justeret som -50 og 50, at begrænse Flu. af respiration i mitokondrier. Detaljen om ændrede begrænsninger i vores forbedrede modeller kan hentes fra den ekstra fil.
virkningerne af knock-out enzymer på metabolisk flux
Baseret på forbedret C3 og C4 metaboliske netværk, vi har sammenlignet den optimale flux af biomasse syntese og CO2-fiksering ved hjælp af FBA. Når biomassesyntese er den objektive funktion, er den maksimale strøm af biomasse henholdsvis 3.661 og 4.625 mmol·gD.-1·hr-1 i C3-og C4-netværk., Tilsvarende er den maksimale Flu.ved optimering af CO2-fiksering 200,95 mmol·gD.-1·hr-1 i C3-netværk og 387,619 mmol·gD. – 1·hr-1 i C4-netværk. Det viste, at C4-netværket udviste både højere strøm af biomasse og CO2-fiksering end C3-netværket, hvilket var i overensstemmelse med den faktiske tendens. Vi konkluderede, at de to genom-skala metaboliske netværk kunne forklare faktiske situationer og sammenlignes for at forstå ligheder og forskelle mellem C3 og C4 planter.
dernæst vurderede vi virkningerne af en .ym knockouts på Flu.af CO2-fiksering og biomasse., Når et en .ym var knockout, ville dets tilsvarende reaktioner blive slettet, hvilket resulterede i ændringer af den optimale Flu.af biomasse eller CO2-fiksering. De objektive resultater fra simuleringen blev klassificeret som uændret mål (ratio = 1), reduceret mål (ratio ∈ (0, 1)) og intet mål (ratio = 0). Virkningerne af enkelt reaktion deletion på maksimal Flu.af biomasse i C3 og C4 netværk er vist i tabel 3. Mere end 85% reaktioner har ingen effekt på den maksimale biomasse af C3 og C4-netværk, når de bliver slået ud, så vi konkluderede, at de to netværk har fantastisk robusthed., Næsten 10% af reaktionerne ville resultere i nul biomasse i C3 og C4 netværk, som omfatter nogle vigtige transportører. Den enkelte deletion af vigtige reaktioner eller en .ymer såsom phosphoribulokinase (PRK, EC: 2.7.1.19) og lysreaktioner kan resultere i ingen biomasse, hvilket er i overensstemmelse med planternes reelle egenskaber .,
virkningerne af en enkelt reaktion sletning på C3 og C4 netværk, når de objektive funktion er CO2-fiksering er vist i Tabel 4, som er lig med Tabel 3. Mere end 96% reaktioner har ingen indflydelse på den maksimale strøm af CO2-fiksering, når de slettes i C3-og C4-netværk. Vi konkluderede, at flere reaktioner ikke har nogen indflydelse på den maksimale Flu.af CO2-fiksering end biomasse., Da biomassesyntese indeholder mange komponenter, der beskæftiger sig med mere end en reaktion, vil deres sletning påvirke strømmen af biomassesyntese. Hertil kommer, at det er indlysende, at C4-planter udviser meget bedre robusthed end C3-planter, da højere procentdel af enzym knockouts derfor ikke ændre på målsætningen flux og lavere procentdel resultere i nul-flux. Desuden fandt vi, at alle de væsentlige reaktioner i C3-netværket også er vigtige for C4, mens der er nogle andre reaktioner, der specifikt er vigtige for C4., Dette resultat viste, at den grundlæggende metabolisme af C4-planter lignede C3, men C4 blev mere kompleks i lang udviklingsperiode.
Vi har fundet, at der er nogle huller i C4GEM når du tjekker xylose vej i de to netværk. I AraGEM er der to veje til fremstilling af .ylose, så knockout af UDP-glucose 6-dehydrogenase (UDPGDH, EC:1.1.1.22) vil ikke påvirke biomassesyntesen., Men i C4GEM var kun UDPGDH ansvarlig for productionyloseproduktion, den anden alternative vej fungerer ikke på grund af to manglende en .ymer, ECYLOSEISOMERASE (EC: 5.3.1.5) og .ylulokinase (EC:2.7.1.17). Vi søgte GeneBank database for at finde ud af, at gener (GeneID: 100194128, 100194385) kodning af xylose isomerase og gener (GeneID:100282641, 100382670) kodning xylulokinase. Så vi supplerede pathwayylosevejen i C4GEM, således kan de forspændte resultater undgås.
dernæst undersøgte vi virkningerne af bestemte nøgleen .ymer på fotosyntese og biomassesyntese i C3-og C4-planter., Tabel 5 illustrerede disse en .ymer, deres funktioner og forholdet mellem objektiv Flu.efter sletning. ‘0’ betyder det udslåede en .ym, der ikke resulterer i nogen Flu.af biomasse eller CO2-fiksering, mens ‘1’ betyder, at der ikke er nogen indflydelse på maksimal Flu. af biomasse eller CO2-fiksering. Knockouts af en .ymer i Calvin cyklus har dødelige virkninger på både C3 og C4 netværk. Katalyserer Det Centrale en .ym i Calvin-cyklussen Rubisco (EC: 4.1.1.39) fikseringen af både CO2 og O2., Dens sletning resulterer i nul Flu .af CO2-fiksering og biomasse, hvilket stemmer overens med det faktum, at fotosyntese og plantevækst er positivt korreleret med Rubisco-aktivitet. Når du sletter transaldolase (TAL, EF: 2.2.1.2) i pentose fosfat pathway og glycolate oxidase (LOX, EF: 1.1.3.15) i glyoxylate og dicarboxylate stofskifte vej, CO2-fiksering og biomasse vil også reducere til nul-flux i disse to planter . Aconitaser (EC: 4.2.1.3) er et vigtigt en .ym i TCA-cyklus, dets knockout reducerede strømmen af CO2-fiksering og fuldstændigt ingen Flu .af biomasse i både C3-og C4-netværk.,
knockout af hosphoglycolate fosfatase (PGLP, EF: 3.1.3.18) har ingen effekt på CO2-fiksering og biomasse syntese, fordi det katalyserer den første reaktion i photorespiratory C2 cyklus . Saccharose-6 (f) – phosphatphosphohydrolase (SPP, EC: 3.1.3.24) katalyserer det sidste trin i saccharosebiosyntesens vej ., Dens sletning har ingen indflydelse, fordi saccharosesyntese lokaliserer i cytosol og ikke har nogen direkte forbindelse med fotosyntese. Amylase isomerase (EF: 2.4.1.18) er ansvarlige for syntesen af forbigående stivelse i grønkorn, som er den kritiske reaktion for den normale biosyntesen af opbevaring af stivelse, så sletning, har dødelig effekt på biomasse flux for både C3 og C4-planter .
i C4-planter, Phosphoenolpyruvatcarbo .ylase (PEPC, EC: 4.1.1.,31), navnlig udfører den indledende fiksering af atmosfærisk CO2 i fotosyntese, der katalyserer carboxylation af phosphoenolpyruvate (PEP) i en reaktion, der giver oxaloacetate og uorganiske fosfat . Derfor resulterede knockout af PEPC i nul Flu.af biomasse, hvilket validerer sin afgørende rolle i C4 fotosyntese. Pyruvatphosphatdikinase (PPDK, EC: 2.7.9.1) katalyserer omdannelsen af 3-carbonforbindelsen pyruvat til phosphoenolpyruvat., Dens sletning reducerede strømmen af CO2-fiksering og biomasse, hvilket er i overensstemmelse med eksperimentresultater, at hæmning af ppdk markant hindrer C4-plantevækst . Til sammenligning har disse to en .ymer ingen effekt på CO2-fiksering og biomasse i C3-netværket.
korrelerede reaktionssæt identificeret ved prøveudtagning
Der er nogle reaktioner, der er co-udnyttet i præcise støkiometriske forhold og udviser korreleret Flu.i det metaboliske netværk, der kaldes korrelerede reaktionssæt., Vi brugte den ensartede stikprøvemetode til at bestemme afhængigheder mellem reaktioner, som yderligere kan bruges til at definere reaktionsmoduler . Den forenklede model af C3-netværket har 494 reaktioner, 483 metabolitter og snævert interval på begrænsninger, som kan adskilles i 65 moduler, og det største modul består af 92 reaktioner. Den forenklede model af C4-netværket har 826 reaktioner, 806 metabolitter og snævert område på begrænsninger, som kan adskilles i 113 moduler, og det største modul består af 169 reaktioner. Der er flere korrelerede reaktionssæt i C4 end C3-netværk.,
reaktionsstrømmene i det samme modul udviser lineær korrelation. Vi fandt reaktionerne i Calvin cyklus er korreleret i både C3 og C4 netværk, som illustreret i figur 3 og 4 henholdsvis. Der er dog nogle reaktioner fra forskellige veje, der også udviser lineær korrelation i C4-netværk, men de er ikke korrelerede i C3-modellen., For eksempel, reaktioner fra Sukker stofskifte, Stibene, counarine og lignin biosyntesen, og Coumarine og phenylpropanoid biosynthesis veje er signifikant korreleret i C4 (vist i Figur 5), men ingen sammenhæng mellem dem i C3 (vist i Figur 6). Det viste, at C4-planter har bedre modularitet med kompleks mekanisme koordinerer reaktioner og veje end for C3-planter.
Korreleret reaktion sæt Calvin cyklus i C3 netværk.,
Correlated reaction sets of Calvin cycle in C4 network.
The reactions from several pathways are correlated in C4 network.,
reaktioner fra flere veje med samme C4 er ikke korreleret i C3 netværk.
Sammenligning af svar på forskellige miljø-forhold
biomasse og CO2-fiksering i C3-og C4-modeller blev simuleret under forskellige lys-intensitet, som vist i Figur 7 og 8., C3-modellen (rød i Figur 7) og C4-modellen (blå i Figur 7) præsenterede lineært forhold mellem biomasse og lysintensitet, når lysintensiteten er mindre end 1500. Derefter med lysintensiteten stigende, ville biomassen være uændret i C4 model og stadig steget i C3 model. C3-modellen (rød i figur 8) og C4-modellen (blå i figur 8) præsenterede også lineært forhold mellem CO2-fiksering og lysintensitet, når lysintensiteten er mindre end 1600. Derefter holdt CO2-fikseringen næsten uændret., Forøgelsen af både biomasse og CO2-fiksering med lysintensitet i C4 er hurtigere end i C3, hvilket afspejler en mere effektiv anvendelse af solenergi i C4-anlæg . Derudover simulerede vi Flu .en af biomassesyntese og CO2-fiksering under forskellige CO2-koncentrationer, som vist i figur 9 og 10. Jo mere CO2-koncentration stiger, jo mere Flu.af biomasse og CO2-fiksering, og stigningen ændres gradvist langsomt indtil stabil tilstand. Den simulerede kurve var i overensstemmelse med eksperiment A-Ci kurve ., Vi fandt, at stigningen i både biomasse og CO2-fiksering med CO2-koncentration i C4 er hurtigere end i C3, hvilket afspejler en mere effektiv anvendelse af CO2 i C4-planter.
effekten af lys intensiteten på biomasse syntese i C3 og C4 model.
effekten af lys intensiteten på CO 2-fiksering i C3 og 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.,
Bidrag af forskellige C4 undertyper til produktion af biomasse
C4-planter kan være klassificeret til tre undertyper, der i henhold til decarboxylation tilstande: NADP-æblesyre enzym (NADP-MIG), NAD-æblesyre enzym (NAD-MIG) og PEP carboxykinase (PCK). Vi undersøgte indflydelsen af hver subtype på biomassesyntese og CO2-fiksering ved at blokere Flu .en af to andre en .ymer og give tilstrækkelig forsyning af vand og nitrogen. Som vist i tabel 6 har for hver specifik undertype kun det tilsvarende en .ym Flu., og de to andre en .ymer har nul Flu.., Der er små forskelle på biomasse i de tre undertyper. Til sammenligning er strømmen af biomasse og CO2-fiksering maksimal i PCK-subtype. Når alle de tre undertyper antages at være aktive i et metabolismesystem, er PCK-undertypen bedre end at blive brugt til CO2-dekarbo .ylering. Disse resultater er i overensstemmelse med Fravolini eksperimenter, der fotosyntetiske ydeevne og overjordiske biomasse produktion af B. curtipendula, (PCK subtype) er større end NADP-MIG og NAD-MIG-typer ., Imidlertid afhænger fotosyntesen og biomassen af forskellige undertyper også af miljøforhold, herunder vand-og nitrogenforsyning . For eksempel viser nogle arter af NADP-ME-type højere fotosyntetiske og biomasseproduktion under lav kvælstoftilgængelighed . For at tydeliggøre overlegenheden af C4-undertyper kræves der derfor yderligere design og analyse under multifaktoriel kombination af miljøforhold.,