características topológicas de redes metabólicas C3 y C4
El modelo de metabolismo de Arabidopsis AraGEM incluye 1498 reacciones únicas, 1765 metabolitos, 83 transportadores Inter orgánulos y 18 transportadores intercelulares . Para el modelo de metabolismo de las plantas C4 C4GEM, hay 2377 reacciones, 2886 metabolitos, 177 transportadores Inter orgánulos y 23 transportadores externos ., Las propiedades topológicas de los modelos AraGEM y C4GEM se analizaron utilizando pajek, donde las reacciones se representan como nodos y los metabolitos como bordes. Algunos parámetros topológicos importantes, como el grado medio, la centralidad entre las diferencias, el coeficiente medio de agrupamiento y la distancia, fueron comparados entre estos dos modelos, como se muestra en la tabla 1.Los resultados demostraron que el AraGEM tiene una estructura más densa que el C4GEM, porque la planta C3 es unicelular, mientras que la planta C4 consiste en células mesófilas y células de vaina de haz, las conexiones entre dos células no son tan cercanas como las unicelulares., Luego extraemos el metabolismo primario de las redes C3 y C4, incluido el ciclo de Calvin, la fotorespiración, el ciclo de TCA, el metabolismo del nitrógeno, el metabolismo de la sacarosa y el almidón, y algunas de las principales vías metabólicas de los aminoácidos. Usando la síntesis neta, calculamos la redundancia de la red metabólica primaria de C3 y C4, que es 0.7175 y 0.7606 respectivamente. Esto significa que la red C4 es más redundante para que la planta C4 pueda ser más robusta a la mutación genética o a los cambios ambientales.,
Improved models by setting the ratio of carboxylation and oxygenation by Rubisco
Rubisco enzyme (EC: 4.1.1.,39) catalizó dos reacciones diferentes con CO2 y o2 respectivamente en fotosíntesis y fotorespiración:
existe una relación constante entre la tasa de carboxilación y oxigenación bajo presión parcial específica de CO2 y o2 en el ambiente ., Por lo tanto, es difícil simular con precisión el cambio de flujo bajo diferentes concentraciones de CO2 sin restricciones en la velocidad de las dos reacciones de Rubisco, que es solo la limitación de AraGEM y C4GEM. Aquí mejoramos los dos modelos combinando las dos reacciones en una sola reacción:
la relación r entre carboxilación y oxigenación bajo diferentes concentraciones de CO2 en C3 y el modelo C4 se muestra en la tabla 2., El cálculo detallado de r está en la sección Métodos.
Además, nuestra motivación fue comparar las diferencias entre el mecanismo de fotosíntesis C3 y C4 y sus respuestas bajo diferentes entornos, por lo tanto, establecemos la función objetiva como la maximización de la fijación de CO2 y la síntesis de biomasa., Dado que en AraGEM y C4GEM anteriores, el objetivo era minimizar el uso de energía lumínica mientras se lograba una tasa de crecimiento especificada, necesitamos restablecer algunas restricciones de flujo de acuerdo con el conocimiento bioquímico. Por ejemplo, la fuga de CO2 fue bloqueada desde la vaina del haz a la célula mesófila con flujo cero en C4GEM, lo que no fue consistente con la situación real; aquí ajustamos el límite superior de esta reacción para permitir la fuga de CO2. Además, debido a que el almidón no se sintetiza en la célula mesófila de las plantas C4, los componentes de biomasa de C4GEM también se restablecieron., Los Límites inferior y superior del flujo en el ciclo de TCA se ajustaron como -50 y 50, para restringir el flujo de la respiración en las mitocondrias. El detalle de las restricciones modificadas en nuestros modelos mejorados se puede obtener del archivo adicional.
los efectos de las enzimas knock-out sobre el flujo metabólico
En base a las redes metabólicas mejoradas de C3 y C4, comparamos el flujo óptimo de síntesis de biomasa y fijación de CO2 utilizando FBA. Cuando la síntesis de biomasa es la función objetiva, el flujo máximo de biomasa es 3.661 y 4.625 mmol·gDW-1·hr-1 respectivamente en las redes C3 y C4., Del mismo modo, al optimizar la fijación de CO2, el flujo máximo es de 200.95 mmol·gDW-1·hr-1 en la red C3 y 387.619 mmol·gDW-1·hr-1 en la red C4. Se demostró que la red C4 presentaba flujos de biomasa y fijación de CO2 más altos que la red C3, lo que era coherente con la tendencia real. Concluimos que las dos redes metabólicas a escala genómica podrían explicar situaciones reales y ser comparadas para comprender las similitudes y diferencias de las plantas C3 y C4.
a continuación, evaluamos los efectos de los knockouts enzimáticos en el flujo de fijación de CO2 y biomasa., Cuando una enzima era eliminada, sus reacciones correspondientes serían eliminadas, lo que resultó en cambios en el flujo óptimo de biomasa o fijación de CO2. Los resultados objetivos de la simulación se clasificaron como objetivo inalterado ( ratio = 1), Objetivo reducido (ratio ∈ (0, 1)) y sin objetivo (ratio = 0). Los efectos de la deleción de reacción única sobre el flujo máximo de biomasa en las redes C3 y C4 se muestran en la Tabla 3. Más del 85% de las reacciones no tienen efectos sobre la biomasa máxima de la red C3 y C4 cuando se noquean, por lo que concluimos que las dos redes tienen una robustez increíble., Casi el 10% de las reacciones resultarían en biomasa cero en las redes C3 y C4, que incluyen algunos transportadores importantes. La eliminación única de reacciones o enzimas importantes, como la fosforibuloquinasa (PRK, EC: 2.7.1.19) y las reacciones de luz, puede dar lugar a que no haya biomasa, lo que es coherente con las características reales de las plantas .,
Los efectos de la eliminación de reacción única en las redes C3 y C4 cuando la función objetiva es la fijación de CO2 se muestran en la Tabla 4, que es similar a la Tabla 3. Más del 96% de las reacciones no influyen en el flujo máximo de fijación de CO2 cuando se eliminan en las redes C3 y C4. Concluimos que más reacciones no tienen influencia en el flujo máximo de fijación de CO2 que la biomasa., Dado que la síntesis de biomasa incluye muchos componentes que se ocupan de más de una reacción, su eliminación afectará el flujo de la síntesis de biomasa. Además, es obvio que las plantas C4 exhiben una robustez mucho mejor que las plantas C3, ya que un mayor porcentaje de knockouts enzimáticos no producen ningún cambio en el flujo objetivo y un menor porcentaje resulta en flujo cero. Además, encontramos que todas las reacciones esenciales en la red C3 también son esenciales para C4, mientras que hay algunas otras reacciones específicamente esenciales para C4., Este resultado demostró que el metabolismo básico de las plantas C4 era similar al C3, pero el C4 se volvió más complejo durante un largo período de evolución.
encontramos algunos vacíos en C4GEM al verificar la vía de xilosa en las dos redes. En AraGEM, hay dos vías para producir xilosa, por lo que la eliminación de la UDP-glucosa 6-deshidrogenasa (UDPGDH, EC:1.1.1.22) no influirá en la síntesis de biomasa., Pero en C4GEM, solo UDPGDH fue responsable de la producción de xilosa, la otra vía alternativa no funciona debido a dos enzimas faltantes, la xilosa isomerasa (EC: 5.3.1.5) y la xiluloquinasa (EC:2.7.1.17). Buscamos en la base de datos del Banco de genes para encontrar que los genes (GeneID: 100194128, 100194385) codifican la xilosa isomerasa y los genes (GeneID:100282641, 100382670) codifican la xiluloquinasa. Así que complementamos la vía de la xilosa en C4GEM, por lo que se pueden evitar los resultados sesgados.
a continuación investigamos los efectos de determinadas enzimas clave en la fotosíntesis y la síntesis de biomasa en plantas C3 y C4., La tabla 5 ilustra estas enzimas, sus funciones y la proporción de flujo objetivo después de la deleción. «0», la enzima eliminada que no produce flujo de biomasa o fijación de CO2, mientras que » 1 » significa que no influye en el flujo máximo de biomasa o fijación de CO2. Los Knockouts de enzimas en el ciclo de Calvin tienen efectos letales en las redes C3 y C4. Por ejemplo, la enzima central del ciclo de Calvin, Rubisco (EC: 4.1.1.39) cataliza la fijación de CO2 y O2., Su deleción resulta en un flujo cero de fijación de CO2 y biomasa, lo que concuerda con el hecho de que la fotosíntesis y el crecimiento de las plantas se correlacionan positivamente con la actividad de Rubisco . Al eliminar la transaldolasa (TAL, EC: 2.2.1.2) en la vía del fosfato de pentosa y la glicolato oxidasa (lox, EC: 1.1.3.15) en la vía del metabolismo del glioxilato y el dicarboxilato, la fijación de CO2 y la biomasa también reducirán a cero el flujo en estas dos plantas . Las aconitasas (EC: 4.2.1.3) son una enzima importante en el ciclo del TCA, su eliminación reduce el flujo de fijación de CO2 y no hay flujo de biomasa en las redes C3 y C4 .,
El knockout de la fosfatasa de hosphoglycolate (PGLP, EC: 3.1.3.18) no tiene efecto en la fijación de CO2 y la síntesis de biomasa, ya que cataliza la primera reacción del ciclo fotorespiratorio C2 . Sacarosa-6 (F) – fosfato fosfohidrolasa (SPP, EC: 3.1.3.24) cataliza el paso final en la vía de biosíntesis de sacarosa ., Su deleción no tiene influencia, ya que la síntesis de sacarosa se localiza en el citosol y no tiene conexión directa con la fotosíntesis. La amilasa isomerasa (EC: 2.4.1.18) es responsable de la síntesis de almidón transitorio en cloroplastos, que es la reacción crítica para la biosíntesis normal del almidón de almacenamiento, por lo que su deleción tiene un efecto letal sobre el flujo de biomasa tanto para plantas C3 como C4 .
en plantas C4, Fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEPC, EC: 4.1.1.,31) realiza notablemente la fijación inicial de CO2 atmosférico en la fotosíntesis, que cataliza la carboxilación del fosfoenolpiruvato (PEP) en una reacción que produce oxaloacetato y fosfato inorgánico . Por lo tanto, el knockout de PEPC resultó en flujo cero de biomasa, lo que valida su papel crucial en la fotosíntesis C4. Piruvato fosfato dikinasa (PPDK, EC: 2.7.9.1) cataliza la conversión del compuesto de 3 carbonos piruvato en fosfoenolpiruvato., Su deleción redujo el flujo de fijación de CO2 y biomasa, lo que es consistente con los resultados del experimento que la inhibición de PPDK dificulta significativamente el crecimiento de la planta C4 . En comparación, estas dos enzimas no tienen ningún efecto sobre la fijación de CO2 y la biomasa en la red C3.
conjuntos de reacciones correlacionadas identificados por muestreo
hay algunas reacciones Co-utilizadas en relaciones estequiométricas precisas y exhiben flujo correlacionado en la red metabólica, que se llama conjuntos de reacciones correlacionadas., Se utilizó el método de muestreo aleatorio uniforme para determinar las dependencias entre reacciones que se pueden utilizar para definir módulos de reacciones . El modelo simplificado de la red C3 tiene 494 reacciones, 483 metabolitos y un estrecho rango de restricciones, que se pueden separar en 65 módulos y el módulo más grande consta de 92 reacciones. El modelo simplificado de la red C4 tiene 826 reacciones, 806 metabolitos y un rango estrecho de restricciones, que se pueden separar en 113 módulos y el módulo más grande consta de 169 reacciones. Hay más conjuntos de reacciones correlacionadas en C4 que en la red C3.,
los flujos de reacciones en el mismo módulo exhiben correlación lineal. Encontramos que las reacciones en el ciclo de Calvin están correlacionadas tanto en la red C3 como en la C4, como se ilustra en las figuras 3 y 4 respectivamente. Sin embargo, hay algunas reacciones de diferentes vías que también muestran correlación lineal en la red C4, pero no están correlacionadas en el modelo C3., Por ejemplo, las reacciones del metabolismo del azúcar, la biosíntesis de Estibeno, counarina y lignina, y las vías de biosíntesis de cumarina y fenilpropanoide están significativamente correlacionadas en C4 (se muestra en la Figura 5), pero no hay correlación entre ellas en C3 (se muestra en la Figura 6). Se demostró que las plantas C4 tienen una mejor modularidad con un mecanismo complejo que coordina las reacciones y vías que la de las plantas C3.
se Correlaciona reacción conjuntos de ciclo de Calvin en C3 de la red.,
Correlated reaction sets of Calvin cycle in C4 network.
The reactions from several pathways are correlated in C4 network.,
Las reacciones de varias vías mismo con el C4 no están correlacionadas en el C3 de la red.
comparación de la respuesta a diferentes condiciones ambientales
la biomasa y la fijación de CO2 de los modelos C3 y C4 se simularon bajo diferentes intensidades de luz, como se muestra en las figuras 7 y 8., El modelo C3 (rojo en la Figura 7) y el modelo C4 (azul en la Figura 7) presentaron una relación lineal entre la biomasa y la intensidad de la luz cuando la intensidad de la luz es inferior a 1500. Luego, con el aumento de la intensidad de la luz, la biomasa no cambiaría en el modelo C4 y aún aumentaría en el modelo C3. El modelo C3 (rojo en la Figura 8) y el modelo C4 (azul en la Figura 8) también presentaron una relación lineal entre la fijación de CO2 y la intensidad de la luz cuando la intensidad de la luz es inferior a 1600. Entonces la fijación de CO2 se mantuvo casi sin cambios., El aumento de la biomasa y la fijación de CO2 con la intensidad de la luz en C4 son más rápidos que en C3, lo que refleja un uso más eficiente de la energía solar en las plantas de C4 . Además, se simuló el flujo de síntesis de biomasa y fijación de CO2 bajo diferentes concentraciones de CO2, como se muestra en las figuras 9 y 10. Cuanto más aumenta la concentración de CO2, más flujo de biomasa y fijación de CO2, y el aumento cambia gradualmente lentamente hasta llegar al estado estacionario. La curva simulada fue consistente con la curva a-Ci del experimento ., Encontramos que el aumento de la biomasa y la fijación de CO2 con la concentración de CO2 en C4 son más rápidos que en C3, lo que refleja un uso más eficiente de CO2 en plantas de C4.
el efecto de La intensidad de la luz en la síntesis de biomasa en C3 y C4 modelo.
el efecto de La intensidad de la luz en la fijación de CO 2 en C3 y C4 modelo.,
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.,
contribución de diferentes subtipos C4 a la producción de biomasa
Las plantas C4 se pueden clasificar en tres subtipos de acuerdo con los modos de descarboxilación: enzima NADP-málica (NADP-ME), enzima NAD-málica (NAD-ME) y Pep carboxiquinasa (PCK). Exploramos la influencia de cada subtipo en la síntesis de biomasa y la fijación de CO2, bloqueando el flujo de otras dos enzimas y proporcionando suficiente suministro de agua y nitrógeno. Como se muestra en la Tabla 6, para cada subtipo específico, solo la enzima correspondiente tiene flujo y las otras dos enzimas tienen flujo cero., Hay pocas diferencias en la biomasa en los tres subtipos. En comparación, el flujo de biomasa y la fijación de CO2 son máximos en el subtipo de PCK. Además, cuando se supone que los tres subtipos están activos en un sistema metabólico, el subtipo PCK es superior para ser utilizado para la descarboxilación de CO2. Estos resultados son consistentes con los experimentos de Fravolini de que el rendimiento fotosintético y la producción de biomasa sobre el suelo de B. curtipendula (subtipo PCK) son mayores que los tipos NADP-ME y NAD-ME ., Sin embargo, la fotosíntesis y la biomasa de diferentes subtipos también dependen de las condiciones ambientales, incluido el suministro de agua y nitrógeno . Por ejemplo, algunas especies del tipo NADP-ME muestran tasas más altas de producción fotosintética y biomasa bajo baja disponibilidad de nitrógeno . Por lo tanto, para dilucidar claramente la superioridad de los subtipos C4, se requiere un mayor diseño y análisis bajo una combinación multifactorial de condiciones ambientales.,