Caractéristiques topologiques des réseaux métaboliques C3 et C4
Le modèle métabolique d’Arabidopsis AraGEM comprend 1498 réactions uniques, 1765 métabolites, 83 transporteurs inter-organites et 18 transporteurs inter-cellulaires . Pour le modèle de métabolisme des plantes C4 C4GEM, il existe 2377 réactions, 2886 métabolites, 177 transporteurs inter-organites et 23 transporteurs externes ., Les propriétés topologiques des modèles AraGEM et C4GEM ont été analysées à l’aide de pajek , où les réactions sont représentées sous forme de nœuds et les métabolites sous forme d’arêtes. Certains paramètres topologiques importants tels que le degré moyen, la centralité de l’entre-deux, le coefficient de regroupement moyen et la distance ont été comparés entre ces deux modèles, comme le montre le tableau 1.Les résultats ont démontré que l’AraGEM a une structure plus dense que C4GEM, car la plante C3 est monocellulaire, tandis que la plante C4 est constituée de cellules mésophylles et de cellules de gaine de faisceau, les connexions entre deux cellules ne sont pas aussi proches que les cellules unicellulaires., Ensuite, nous avons extrait le métabolisme primaire des réseaux C3 et C4, y compris le cycle de Calvin, la photorespiration, le cycle de TCA, le métabolisme de l’azote, le métabolisme du saccharose et de l’amidon, et certaines voies principales du métabolisme des acides aminés. En utilisant la SYNTHÈSE NETTE, nous avons calculé la redondance du réseau métabolique primaire de C3 et C4, qui est respectivement de 0,7175 et 0,7606. Cela signifie que le réseau C4 est plus redondant, de sorte que la plante C4 pourrait être plus robuste aux mutations génétiques ou aux changements d’environnement.,
Improved models by setting the ratio of carboxylation and oxygenation by Rubisco
Rubisco enzyme (EC: 4.1.1.,39) catalysé deux réactions différentes avec CO2 et O2 respectivement dans la photosynthèse et la photorespiration:
Il existe un rapport constant entre le taux de carboxylation et d’oxygénation sous pression partielle spécifique de CO2 et d’O2 dans l’environnement ., Par conséquent, il est difficile de simuler avec précision le changement de flux sous différentes concentrations de CO2 sans contraintes sur la vitesse des deux réactions par Rubisco, qui n’est que la limitation d’AraGEM et de C4GEM. Ici, nous avons amélioré les deux modèles en combinant les deux réactions en une seule réaction:
Le rapport r entre carboxylation et oxygénation sous différentes concentrations de CO2 en C3 et le modèle C4 est illustré dans le tableau 2., Le calcul détaillé de r se trouve dans la section Méthodes.
De plus, notre motivation était de comparer les différences entre le mécanisme de photosynthèse C3 et C4 par conséquent, nous fixons la fonction objective comme maximisation de la fixation du CO2 et de la synthèse de la biomasse., Comme dans les précédents AraGEM et C4GEM, l’objectif était de minimiser l’utilisation de l’énergie lumineuse tout en atteignant un taux de croissance spécifié, nous devons réinitialiser certaines contraintes de flux en fonction des connaissances en biochimie. Par exemple, la fuite de CO2 a été bloquée de la gaine du faisceau à la cellule mésophylle avec un flux nul en C4GEM, ce qui n’était pas compatible avec la situation réelle; ici, nous avons ajusté la limite supérieure de cette réaction pour permettre la fuite de CO2. De plus, comme l’amidon n’est pas synthétisé dans la cellule mésophylle des plantes C4, les composants de la biomasse de C4GEM ont également été réinitialisés., Les limites inférieures et supérieures du flux dans le cycle de TCA ont été ajustées à -50 et 50, afin de restreindre le flux de respiration dans les mitochondries. Le détail des contraintes modifiées dans nos modèles améliorés peut être obtenu à partir du fichier supplémentaire.
Les effets des enzymes knock-out sur le flux métabolique
Sur la base des réseaux métaboliques C3 et C4 améliorés, nous avons comparé le flux optimal de synthèse de biomasse et de fixation du CO2 à l’aide de FBA. Lorsque la synthèse de biomasse est la fonction objective, le flux maximal de biomasse est respectivement de 3,661 et 4,625 mmol·gDW-1·hr-1 dans les réseaux C3 et C4., De même, lors de l’optimisation de la fixation du CO2, le flux maximal est de 200,95 mmol·gDW-1·hr-1 dans le réseau C3 et de 387,619 mmol·gDW-1·hr-1 dans le réseau C4. Il a démontré que le réseau C4 présentait à la fois des flux de biomasse et une fixation du CO2 plus élevés que le réseau C3, ce qui correspondait à la tendance réelle. Nous avons conclu que les deux réseaux métaboliques à l’échelle du génome pourraient expliquer des situations réelles et être comparés pour comprendre les similitudes et les différences des plantes C3 et C4.
Ensuite, nous avons évalué les effets des éliminations enzymatiques sur le flux de fixation du CO2 et la biomasse., Lorsqu’une enzyme était knockout, ses réactions correspondantes étaient supprimées, ce qui entraînait des modifications du flux optimal de biomasse ou de fixation du CO2. Les résultats objectifs de la simulation ont été classés comme objectif inchangé (ratio = 1), objectif réduit (ratio ∈ (0, 1)) et aucun objectif (ratio = 0). Les effets de la délétion par réaction unique sur le flux maximal de biomasse dans les réseaux C3 et C4 sont présentés dans le tableau 3. Plus de 85% des réactions n’ont aucun effet sur la biomasse maximale des réseaux C3 et C4 lorsqu’elles sont éliminées, nous avons donc conclu que les deux réseaux ont une robustesse étonnante., Près de 10% des réactions entraîneraient une biomasse nulle dans les réseaux C3 et C4, qui comprennent certains transporteurs importants. La délétion unique de réactions ou d’enzymes importantes telles que la phosphoribulokinase (PRK, EC: 2.7.1.19) et les réactions lumineuses peut entraîner l’absence de biomasse, ce qui est compatible avec les caractéristiques réelles des plantes .,
Les effets de la suppression d’une seule réaction sur les réseaux C3 et C4 lorsque la fonction objective est la fixation du CO2 sont présentés dans le tableau 4 qui est similaire au tableau 3. Plus de 96% des réactions n’ont aucune influence sur le flux maximal de fixation du CO2 lorsqu’elles sont supprimées dans les réseaux C3 et C4. Nous avons conclu que plus de réactions n’ont aucune influence sur le flux maximal de fixation du CO2 que la biomasse., Étant donné que la synthèse de biomasse comprend de nombreux composants qui traitent de plus d’une réaction, leur délétion affectera le flux de synthèse de biomasse. De plus, il est évident que les plantes C4 présentent une bien meilleure robustesse que les plantes C3, car un pourcentage plus élevé de neutralisations enzymatiques n’entraîne aucun changement sur le flux objectif et un pourcentage plus faible entraîne un flux nul. De plus, nous avons constaté que toutes les réactions essentielles dans le réseau C3 sont également essentielles pour C4, alors qu’il existe d’autres réactions spécifiquement essentielles pour C4., Ce résultat a prouvé que le métabolisme de base des plantes C4 était similaire à C3, mais C4 est devenu plus complexe au cours de la longue période d’évolution.
Nous avons constaté qu’il y avait quelques lacunes dans C4GEM lors de la vérification de la voie xylose dans les deux réseaux. Dans AraGEM, il existe deux voies pour produire du xylose, donc le knockout de l’UDP-glucose 6-déshydrogénase (UDPGDH, EC:1.1.1.22) n’influencera pas la synthèse de la biomasse., Mais en C4GEM, seule l’UDPGDH était responsable de la production de xylose, l’autre voie alternative ne fonctionne pas à cause de deux enzymes manquantes, la xylose isomérase (EC: 5.3.1.5) et la xylulokinase (EC:2.7.1.17). Nous avons cherché dans la base de données GeneBank pour trouver que les gènes (GeneID: 100194128, 100194385) codant la xylose isomérase et les gènes (GeneID:100282641, 100382670) codant la xylulokinase. Nous avons donc complété la voie du xylose dans C4GEM, ce qui permet d’éviter les résultats biaisés.
Ensuite, nous avons étudié les effets d’enzymes clés particulières sur la photosynthèse et la synthèse de la biomasse chez les plantes C3 et C4., Le tableau 5 illustre ces enzymes, leurs fonctions et le rapport de flux objectif après délétion. « 0 » signifie l’enzyme éliminée qui n’entraîne aucun flux de biomasse ou de fixation du CO2, tandis que » 1 » signifie qu’il n’y a aucune influence sur le flux maximal de biomasse ou de fixation du CO2. Les éliminations d’enzymes dans le cycle de Calvin ont des effets létaux sur les réseaux C3 et C4. Par exemple, l’enzyme centrale du cycle de Calvin, la Rubisco (CE: 4.1.1.39) catalyse la fixation du CO2 et de l’O2., Sa délétion entraîne un flux nul de fixation du CO2 et de biomasse, ce qui correspond au fait que la photosynthèse et la croissance des plantes sont positivement corrélées à l’activité de la Rubisco . Lors de la suppression de la transaldolase (TAL, EC: 2.2.1.2) dans la voie du pentose phosphate et de la glycolate oxydase (LOX, EC: 1.1.3.15) dans la voie du métabolisme du glyoxylate et du dicarboxylate, la fixation du CO2 et la biomasse seront également réduites à zéro dans ces deux usines . Aconitases (CE: 4.2.1.3) est une enzyme importante dans le cycle de TCA, son knock-out réduit le flux de fixation de CO2, et complètement aucun flux de biomasse dans les réseaux C3 et C4 .,
L’inhibition de l’hosphoglycolate phosphatase (PGLP, CE: 3.1.3.18) n’a aucun effet sur fixation et synthèse de biomasse, car elle catalyse la première réaction du cycle photorespiratoire C2 . Le saccharose-6(F) – phosphate phosphohydrolase (SPP, EC: 3.1.3.24) catalyse la dernière étape de la voie de biosynthèse du saccharose ., Sa délétion n’a aucune influence, car la synthèse du saccharose se situe dans le cytosol et n’a aucun lien direct avec la photosynthèse. L’amylase isomérase (EC: 2.4.1.18) est responsable de la synthèse de l’amidon transitoire dans le chloroplaste, qui est la réaction critique pour la biosynthèse normale de l’amidon de stockage, de sorte que sa délétion a un effet létal sur le flux de biomasse pour les plantes C3 et C4 .
Dans les plantes en C4, Phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC, EC: 4.1.1.,31) effectue notamment la fixation initiale du CO2 atmosphérique dans la photosynthèse, ce qui catalyse la carboxylation du phosphoénolpyruvate (PEP) dans une réaction qui donne de l’oxaloacétate et du phosphate inorganique . Par conséquent, l’élimination du PEPC a entraîné un flux nul de biomasse, ce qui valide son rôle crucial dans la photosynthèse en C4. La pyruvate phosphate dikinase (PPDK, EC: 2.7.9.1) catalyse la conversion du pyruvate composé à 3 carbones en phosphoénolpyruvate., Sa délétion a réduit le flux de fixation du CO2 et de biomasse, ce qui est cohérent avec les résultats de l’expérience selon lesquels l’inhibition de PPDK entrave considérablement la croissance des plantes en C4 . En comparaison, ces deux enzymes n’ont aucun effet sur la fixation du CO2 et la biomasse dans le réseau C3.
Ensembles réactionnels corrélés identifiés par échantillonnage
Certaines réactions sont co-utilisées dans des rapports stœchiométriques précis et présentent des flux corrélés dans le réseau métabolique, appelés ensembles réactionnels corrélés., Nous avons utilisé la méthode d’échantillonnage aléatoire uniforme de déterminer les dépendances entre les réactions qui peuvent être utilisées pour définir des modules de réactions . Le modèle simplifié du réseau C3 comporte 494 réactions, 483 métabolites et une gamme étroite de contraintes, qui peuvent être séparées en 65 modules et le plus grand module comprend 92 réactions. Le modèle simplifié du réseau C4 comporte 826 réactions, 806 métabolites et une gamme étroite de contraintes, qui peuvent être séparées en 113 modules et le plus grand module comprend 169 réactions. Il y a plus d’ensembles de réactions corrélés dans le réseau C4 que C3.,
Les flux de réactions dans le même module présentent une corrélation linéaire. Nous avons constaté que les réactions dans le cycle de Calvin sont corrélées dans les réseaux C3 et C4, comme illustré à la figure 3 et 4 respectivement. Cependant, certaines réactions provenant de différentes voies présentent également une corrélation linéaire dans le réseau C4, mais elles ne sont pas corrélées dans le modèle C3., Par exemple, les réactions du métabolisme du sucre, de la biosynthèse du Stibène, de la counarine et de la lignine et des voies de biosynthèse de la Coumarine et des phénylpropanoïdes sont significativement corrélées en C4 (illustré à la Figure 5), mais aucune corrélation entre elles en C3 (illustré à la Figure 6). Il a démontré que les plantes C4 ont une meilleure modularité avec un mécanisme complexe coordonne les réactions et les voies que celle des plantes C3.
en Corrélation réaction des ensembles de cycle de Calvin en C3 réseau.,
Correlated reaction sets of Calvin cycle in C4 network.
The reactions from several pathways are correlated in C4 network.,
Les réactions de plusieurs voies de même avec le C4 ne sont pas corrélés dans le réseau C3.
Comparaison de la réponse à différentes conditions environnementales
La fixation de la biomasse et du CO2 des modèles C3 et C4 a été simulée sous différentes intensités lumineuses, comme le montrent les figures 7 et 8., Le modèle C3 (rouge sur la Figure 7) et le modèle C4 (bleu sur la Figure 7) ont présenté une relation linéaire entre la biomasse et l’intensité lumineuse lorsque l’intensité lumineuse est inférieure à 1500. Ensuite, avec l’augmentation de l’intensité lumineuse, la biomasse serait inchangée dans le modèle C4 et toujours augmentée dans le modèle C3. Le modèle C3 (rouge sur la Figure 8) et le modèle C4 (bleu sur la Figure 8) ont également présenté une relation linéaire entre la fixation du CO2 et l’intensité lumineuse lorsque l’intensité lumineuse est inférieure à 1600. Ensuite, la fixation du CO2 restait presque inchangée., L’augmentation de la biomasse et de la fixation du CO2 avec l’intensité lumineuse en C4 est plus rapide que celle en C3, ce qui reflète une utilisation plus efficace de l’énergie solaire dans les plantes C4 . De plus, nous avons simulé le flux de synthèse de biomasse et de fixation du CO2 sous différentes concentrations de CO2, comme le montrent les figures 9 et 10. Plus la concentration de CO2 augmente, plus le flux de biomasse et de fixation du CO2 augmente, et l’augmentation change progressivement lentement jusqu’à l’état d’équilibre. La courbe simulée était conforme à la courbe de l’expérience A-Ci ., Nous avons constaté que l’augmentation de la biomasse et de la fixation du CO2 avec la concentration de CO2 en C4 est plus rapide que celle en C3, ce qui reflète une utilisation plus efficace du CO2 dans les plantes en C4.
L’effet de l’intensité de la lumière sur la synthèse de la biomasse en C3 et C4 modèle.
L’effet de l’intensité de la lumière sur le CO 2 fixation en C3 et C4 modèle.,
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.,
Contribution des différents sous-types C4 à la production de biomasse
Les plantes C4 peuvent être classées en trois sous-types selon les modes de décarboxylation: enzyme NADP-malique (NADP-ME), enzyme NAD-malique (NAD-ME) et PEP carboxykinase (PCK). Nous avons exploré l’influence de chaque sous-type sur la synthèse de la biomasse et la fixation du CO2, en bloquant le flux des deux autres enzymes et en fournissant suffisamment d’eau et d’azote. Comme le montre le tableau 6, pour chaque sous-type spécifique, seule l’enzyme correspondante a un flux et les deux autres enzymes ont un flux nul., Il y a peu de différences sur la biomasse dans les trois sous-types. En comparaison, le flux de biomasse et la fixation du CO2 sont maximaux dans le sous-type PCK. De plus, lorsque les trois sous-types sont supposés actifs dans un système métabolique, le sous-type PCK est supérieur pour être utilisé pour la décarboxylation du CO2. Ces résultats concordent avec les expériences de Fravolini selon lesquelles les performances photosynthétiques et la production de biomasse aérienne de B. curtipendula (sous-type PCK) sont supérieures aux types NADP-ME et NAD-ME ., Cependant, la photosynthèse et la biomasse de différents sous-types dépendent également des conditions environnementales, y compris l’approvisionnement en eau et en azote . Par exemple, certaines espèces de type NADP-ME présentent des taux plus élevés de production de photosynthèse et de biomasse sous une faible disponibilité en azote . Par conséquent, pour élucider clairement la supériorité des sous-types C4, une conception et une analyse plus poussées dans une combinaison multifactorielle de conditions environnementales sont nécessaires.,