Topologinen ominaisuudet C3-ja C4-aineenvaihdunnan verkot
aineenvaihduntaa malli Arabidopsis AraGEM sisältää 1498 ainutlaatuinen reaktioita, 1765 aineenvaihduntatuotteiden, 83 inter-organelliin kuljettajat, ja 18 inter-solujen kuljettajat . Aineenvaihdunnan malli C4-kasveja C4GEM, on olemassa 2377 reaktioita, 2886 aineenvaihdunta -, 177 inter-organelliin kuljettajat, ja 23 ulkoinen kuljettajat ., Topologinen ominaisuuksia AraGEM ja C4GEM mallit analysoitiin käyttäen pajek , jossa reaktiot ovat edustettuina solmut ja aineenvaihduntatuotteiden, kuten reunat. Joitakin tärkeitä topologinen parametrit, kuten keskimääräinen aste, betweenness keskeisyyden, keskimääräinen klusterointi kerroin ja etäisyys verrattiin näiden kahden mallit, kuten on esitetty Taulukossa 1.Tulokset osoittivat, että AraGEM on tiheämpää rakenne kuin C4GEM, koska C3-kasvi on yhden solun, kun taas C4-kasvi koostuu mesophyll solu ja nippu tuppi solun yhteyksiä kahden solut eivät ole niin lähellä kuin yhden solun., Sitten me uutettu ensisijainen aineenvaihdunta C3-ja C4-verkoissa, kuten Calvin cycle, photorespiration, TCA sykli, typen aineenvaihduntaan, sakkaroosi ja tärkkelys aineenvaihduntaa, ja joitakin suuria aminohappojen aineenvaihdunnan polkuja. NETTOSYNTEESIN avulla laskimme primaarisen metabolisen verkoston C3: n ja C4: n redundanssin, joka on vastaavasti 0,7175 ja 0,7606. Se tarkoittaa, C4 verkko on tarpeeton niin, että C4-kasvi voisi olla vankempi, jotta geenin mutaatio tai ympäristön muutoksia.,
Improved models by setting the ratio of carboxylation and oxygenation by Rubisco
Rubisco enzyme (EC: 4.1.1.,39) katalysoivat kahden eri reaktioita, joiden CO2-ja O2 vastaavasti fotosynteesi ja photorespiration:
Siellä on jatkuva suhde välillä määrä carboxylation ja hapetus tietyissä osittainen paine CO2-ja O2-ympäristössä ., Näin ollen, se on vaikea tarkasti simuloida vuon muutos eri CO2-pitoisuus ilman rajoituksia nopeudella kaksi reaktioita, joita Rubisco, joka on vain rajoitus AraGEM ja C4GEM. Täällä olemme parannettu kaksi mallia yhdistämällä kaksi reaktiot yhdeksi reaktio:
suhde r välillä carboxylation ja hapetus eri CO2-pitoisuus C3 ja C4 malli on esitetty Taulukossa 2., R: n yksityiskohtainen laskeminen on Menetelmäosiossa.
– lisäksi meidän motivaatio oli vertailla eroja C3-ja C4-fotosynteesin mekanismi ja niiden vastauksia eri ympäristöissä, siksi asetamme kohdefunktion maksimointi CO2 korjaus-ja biomassa-synteesi., Koska aiemmissa AraGEM ja C4GEM, tavoitteena oli minimoida käyttämällä valon energiaa, kun saavuttaa tietyn kasvu, meidän täytyy palauttaa joitakin flux rajoitusten mukaan biokemian osaamista. Esimerkiksi CO2-vuoto oli estetty nippu tuppi mesophyll solun nolla vuon C4GEM, joka ei vastaa todellista tilannetta; täällä me säätää yläraja tämän reaktion sallia vuoto CO2. Lisäksi, koska tärkkelystä ei syntetisoida C4-kasvien mesofyllisolussa, myös c4gem: n biomassakomponentit nollattiin., Alemman ja ylemmän rajat vuon TCA sykli oikaistiin kuin -50 ja 50, rajoittaa flux hengityksen mitokondrioissa. Yksityiskohta muutettu rajoitteet meidän parempia malleja voi olla sai Lisää Tiedosto.
vaikutukset knock-out-entsyymien aineenvaihdunnan flux
– Perustuu parantunut C3-ja C4-aineenvaihdunnan verkoissa, vertasimme optimaalinen valovirta biomassan synteesi ja CO2-korjaus, käyttämällä FBA. Kun biomassa synteesi on tavoite-toiminto, maksimaalinen valovirta biomassa on 3.661 ja 4.625 mmol·gDW-1·h-1 vastaavasti C3-ja C4-verkoissa., Vastaavasti, kun optimoimalla CO2-korjaus, maksimaalinen valovirta on 200.95 mmol·gDW-1·h-1 C3 verkko-ja 387.619 mmol·gDW-1·h-1 C4-verkkoon. Se osoitti, että C4-verkon esillä sekä suuremmat vuot biomassan ja CO2-korjaus kuin C3-verkkoon, joka ei vastaa todellista käyttäytymistä. Me todettiin, että kaksi genome-scale aineenvaihdunnan verkoissa voisi selittää todellisia tilanteita ja verrata ymmärtämään yhtäläisyyksiä ja eroja C3-ja C4-kasveihin.
seuraavaksi arvioimme entsyymin tyrmäystippojen vaikutuksia CO2-sidoksen ja biomassan valuvirtaan., Kun yksi entsyymi oli tyrmäys, sen vastaava reaktioita olisi poistettu, mikä johti muutoksiin optimaalinen valovirta biomassa-tai CO2-korjaus. Tavoite tulokset simulointi luokiteltiin ennallaan tavoite (suhde = 1), vähensi tavoite (suhde ∈ (0, 1)) ja ei tavoite (suhde = 0). Vaikutukset yhden reaktion poistaminen on maksimaalinen valovirta biomassan C3-ja C4-verkko on esitetty Taulukossa 3. Yli 85 prosenttia reaktioita ei ole vaikutuksia maksimaalinen biomassa C3-ja C4-verkkoon, kun tippuu-out, joten voimme päätellä, että kaksi verkkoa on hämmästyttävä kestävyys., Lähes 10 prosenttia reaktioista johtaisi C3-ja C4-verkoissa nollabiomassaan, johon kuuluu joitakin tärkeitä kuljettajia. Tärkeiden reaktioiden tai entsyymien, kuten fosforibulokinaasin (PRK, EC: 2.7.1.19) ja valoreaktioiden yksittäinen poisto ei voi johtaa biomassaan, joka vastaa kasvien todellisia ominaisuuksia .,
vaikutukset yksittäinen reaktio poistaminen on C3-ja C4-verkot, kun tavoite toiminto on CO2-korjaus on esitetty Taulukossa 4, joka on samanlainen Taulukko 3. Yli 96% reaktiot ole vaikutusta maksimaalinen valovirta CO2 korjaus, kun on poistettu C3-ja C4-verkoissa. Tulimme siihen tulokseen, että biomassaa suuremmilla reaktioilla ei ole vaikutusta CO2-kiinnittymisen maksimivirtaan., Koska biomassasynteesi sisältää monia komponentteja, jotka käsittelevät useampaa kuin yhtä reaktiota, niiden poistaminen vaikuttaa biomassasynteesin fluxiin. Lisäksi, se on selvää, että C4-kasvit näytteille paljon parempi kestävyys kuin C3 kasveja, koska suurempi osuus entsyymi aihiot tulos ei muutosta tavoite valovirta ja alhaisempi tulos nolla muutostilassa. Lisäksi löysimme kaikki olennaiset reaktioita C3 verkko on myös tärkeää C4, vaikka on olemassa joitakin muita reaktioita erityisesti välttämättömiä C4., Tämä tulos osoitti, että C4-kasvien perusaineenvaihdunta oli samanlaista kuin C3, mutta C4 muuttui monimutkaisemmaksi pitkän evoluution aikana.
löysimme joitakin aukkoja C4GEM kun tarkkailun ksyloosia reitti kahden verkon. Vuonna AraGEM, on kaksi tapoja tuottaa ksyloosi, niin tyrmäys UDP-glukoosi-6-dehydrogenaasi (UDPGDH, EY:1.1.1.22) ei vaikutusta biomassan synteesi., Mutta C4GEM, vain UDPGDH oli vastuussa ksyloosia tuotanto, muut vaihtoehtoinen reitti ei toimi, koska kaksi puuttuu entsyymejä, ksyloosi isomeraasi (EY: 5.3.1.5) ja xylulokinase (EY:2.7.1.17). Tutkimme Geenipankin tietokannasta löytää, että geenit (GeneID: 100194128, 100194385) koodaus ksyloosia isomeraasi ja geenit (GeneID:100282641, 100382670) koodaus xylulokinase. Niinpä täydennimme c4gem: n ksyloosipolkua, joten puolueelliset tulokset voidaan välttää.
seuraavaksi selvitimme tiettyjen avainentsyymien vaikutuksia fotosynteesiin ja biomassan synteesiin C3-ja C4-kasveissa., Taulukossa 5 on esitetty nämä entsyymit, niiden toiminnot ja objektiivisen vuon suhde poiston jälkeen. ’0’ tarkoittaa, että tippuu-out-entsyymiä, mikä ei flux biomassan tai CO2-korjaus, kun taas ’1’ tarkoittaa, että on mitään vaikutusta maksimaalinen valovirta biomassa-tai CO2-korjaus. Calvin Cyclen entsyymien tyrmäyksillä on tappavia vaikutuksia sekä C3-että C4-verkoissa. Esimerkiksi Calvin Cyclen keskeinen entsyymi Rubisco (EC: 4.1.1.39) katalysoi sekä CO2: n että O2: n kiinnittymistä., Sen poistaminen, tulokset nolla flux CO2-korjaus-ja biomassaa, joka vastaa siitä, että fotosynteesi ja kasvin kasvu korreloi positiivisesti Rubisco toimintaa . Kun poistat transaldolase (TAL, EY: 2.2.1.2) vuonna pentoosifosfaattireitin ja se monoamiinioksidaasin (LOX, EY: 1.1.3.15) vuonna glyoxylate ja dikarboksylaatti aineenvaihduntaa polku, CO2-korjaus-ja biomassan myös vähentää nollaan flux näiden kahden kasveja . Aconitases (EY: 4.2.1.3) on tärkeä entsyymi TCA cycle, sen tyrmäys vähensi vuon CO2-korjaus, ja täysin ei flux biomassan sekä C3-ja C4-verkoissa .,
tyrmäyksellä hosphoglycolate fosfataasi (PGLP, EY: 3.1.3.18) ei ole vaikutusta CO2-korjaus-ja biomassa-synteesi, koska se katalysoi ensimmäinen reaktio photorespiratory C2 aikana . Sakkaroosi-6 (F) – fosfaattifosfohydrolaasi (SPP, EC: 3.1.3.24) katalysoi sakkaroosin biosynteesireittien viimeistä vaihetta ., Sen poistamisella ei ole vaikutusta, koska sakkaroosiisynteesi sijaitsee sytosolissa eikä sillä ole suoraa yhteyttä fotosynteesiin. Amylaasi-isomeraasi (EY: 2.4.1.18) on vastuussa synteesi ohimeneviä tärkkelystä kloroplastiin, joka on kriittinen reaktio normaalin biosynteesiä varastointi tärkkelystä, joten sen poistaminen on tappava vaikutus biomassan flux sekä C3-ja C4-kasveihin .
C4-kasveissa Fosfoenolipyruvaattikarboksylaasi (PEPC, EC: 4.1.1.,31) erityisesti suorittaa alustava korjaus ilmakehän CO2 fotosynteesi, joka katalysoi carboxylation ja phosphoenolpyruvate (PEP) on reaktio, joka tuottaa oxaloacetate ja epäorgaanisen fosfaatin . Siksi PEPC: n tyrmäys johti biomassan nollavirtaan, joka validoi sen ratkaisevan roolin C4-fotosynteesissä. Pyruvaatti fosfaatti dikinase (PPDK, EY: 2.7.9.1) katalysoi 3-hiili-yhdiste pyruvaatti osaksi phosphoenolpyruvate., Sen poistaminen vähensi vuon CO2 korjaus-ja biomassa, joka on sopusoinnussa kokeilun tuloksia, että esto PPDK merkittävästi estää C4-kasvien kasvua . Vertailun vuoksi nämä kaksi entsyymiä eivät vaikuta C3-verkon CO2-kiinnittymiseen ja biomassaan.
Korreloi reaktio sarjaa tunnistaa Näytteenoton
On olemassa joitakin reaktioita co-hyödyntää tarkka stoikiometrisiä suhdelukuja ja näyttely korreloi flux aineenvaihdunnan verkosto, joka kutsutaan korreloi reaktio-sarjaa., Käytimme yhtenäinen satunnaisotannalla määrittää välisiä riippuvuuksia reaktioita, jotka voidaan edelleen käyttää määritellä moduulien reaktioita . Yksinkertaistettu malli C3 verkko on 494 reaktioita, 483 aineenvaihduntatuotteiden ja kapea on rajoituksia, joka voi olla erotettu osaksi 65 moduulit ja suurin moduuli koostuu 92 reaktioita. Yksinkertaistettu malli C4 verkko on 826 reaktioita, 806 aineenvaihduntatuotteiden ja kapea on rajoituksia, joka voi olla erotettu osaksi 113 moduulit ja suurin moduuli koostuu 169 reaktioita. C4: ssä on enemmän korreloivia reaktiosarjoja kuin C3-verkossa.,
saman moduulin reaktioiden vuosilla on lineaarinen korrelaatio. Löysimme reaktioita Calvin cycle korreloivat sekä C3-ja C4-verkon, kuten Kuvassa 3 ja 4 vastaavasti. Kuitenkin on olemassa joitakin reaktioita eri reittejä myös lineaarinen korrelaatio C4 verkossa, mutta ne eivät korreloi C3 malli., Esimerkiksi reaktiot, Sokeri aineenvaihduntaa, Stibene, counarine ja ligniinin biosynteesi, ja Coumarine ja phenylpropanoid biosynteesi reitit ovat merkittävästi korreloi vuonna C4 (Kuvassa 5), mutta korrelaatio ei niistä C3 (näkyy Kuvassa 6). Se osoitti, että C4-kasveilla on parempi modulaarisuus ja monimutkainen mekanismi koordinoi reaktioita ja reittejä kuin C3-kasveilla.
Korreloi reaktio sarjaa Calvinin syklin C3 verkkoon.,
Correlated reaction sets of Calvin cycle in C4 network.
The reactions from several pathways are correlated in C4 network.,
reaktiot useita polkuja sama C4 eivät korreloi C3 verkkoon.
Vertailu vastaus eri ympäristön olosuhteet
biomassan ja CO2-korjaus C3-ja C4-mallit olivat simuloitu eri valotehoa, kuten Kuvassa 7 ja 8., C3-malli (punainen Kuvassa 7) ja C4 malli (sininen Kuva 7) on esitetty lineaarisesti biomassan ja valon intensiteetti, kun valon voimakkuus on alle 1500. Sitten valon intensiteetin kasvaessa biomassa olisi C4-mallissa ennallaan ja C3-mallissa vielä kasvanut. C3-mallissa (Punainen kuvassa 8) ja C4-mallissa (Sininen kuvassa 8) esitettiin myös lineaarinen suhde CO2-kiinnityksen ja valon voimakkuuden välillä, kun valon voimakkuus on alle 1600. Silloin CO2-fiksaatio pysyi lähes muuttumattomana., Kasvu sekä biomassan ja CO2-korjaus, jossa valon intensiteetti C4 on nopeampaa kuin C3, jotka heijastavat enemmän tehokas aurinkoenergian käyttö C4-kasveja . Lisäksi simuloitiin flux biomassan synteesi ja CO2-korjaus eri CO2-pitoisuus, kuten Kuvassa 9 ja 10. Mitä enemmän CO2-pitoisuus kasvaa, sitä enemmän biomassaa ja CO2-kiinnittymistä, ja kasvu muuttuu vähitellen hitaasti vakaaseen tilaan asti. Simuloitu käyrä oli yhdenmukainen kokeen a-Ci käyrän kanssa ., Huomasimme, että kasvu sekä biomassan ja CO2-korjaus CO2-pitoisuus C4 on nopeampaa kuin C3, jotka heijastavat tehokkaampi käyttö CO2 C4-kasveja.
vaikutus valon intensiteetti biomassan synteesiä C3 ja C4 malli.
vaikutus valon intensiteetti CO 2 korjaus, C3 ja C4 malli.,
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.,
Osuus eri C4 alatyypeistä biomassan tuotanto
C4-kasveja voidaan luokitella kolmeen alatyyppien mukaan dekarboksyloinnin tilaa: NADP-omenahapon entsyymi (NADP-MINÄ), NAD-omenahapon entsyymi (NAD-MINÄ) ja PEP carboxykinase (PCK). Tutkimme vaikutus jokaisen alatyypin biomassan synteesi ja CO2-korjaus, estämällä vuon kaksi muuta entsyymejä ja antaa tarpeeksi vettä ja typpeä. Kuten taulukosta 6 käy ilmi, kunkin tietyn alatyypin osalta vain vastaavalla entsyymillä on flux ja kahdella muulla entsyymillä nolla flux., Biomassassa ei ole juurikaan eroja kolmessa alatyypissä. Vertailussa biomassan virtaus ja CO2-kiinnittyminen ovat PCK-alatyypissä maksimaalisia. Lisäksi, kun kaikkien kolmen alatyypin oletetaan olevan aktiivisia yhdessä metaboliajärjestelmässä, PCK-alatyyppi on parempi kuin CO2-dekarboksylaatiossa käytettävä alatyyppi. Nämä tulokset ovat yhdenmukaisia Fravolini on kokeiluja, jotka fotosynteesin suorituskyky ja maanpäällisen biomassan tuotanto B. curtipendula, (PCK-alatyyppi) on suurempi kuin NADP-MINÄ ja NAD-MINULLE-tyyppejä ., Kuitenkin, fotosynteesin ja biomassan eri alatyyppejä riippuu myös ympäristön olosuhteet, kuten veden ja typen tarjontaa . Esimerkiksi, jotkut lajit NADP-MINUSTA tyyppi näyttää korkeampia fotosynteesin ja biomassan tuotanto alle alhainen typen saatavuus . Siksi, selvästi valaista paremmuus C4 alatyyppejä, edelleen suunnittelu ja analyysi alla multi-kertoma yhdistelmä ympäristön olosuhteet ovat tarpeen.,