A C3 és C4 növények szisztematikus összehasonlítása a metabolikus hálózat elemzése | BMC rendszerek biológiája

A C3 és C4 metabolikus hálózatok topológiai jellemzői

az Arabidopsis AraGEM anyagcsere-modellje 1498 egyedi reakciót, 1765 metabolitot, 83 inter-organelle transzportereket és 18 sejtközi transzportereket tartalmaz . A C4 növények c4gem metabolizmus modelljében 2377 reakció, 2886 metabolit, 177 inter-organelle transzporter és 23 Külső transzporter található ., Az AraGEM és a C4GEM modellek topológiai tulajdonságait pajek segítségével elemeztük, ahol a reakciókat csomópontok és metabolitok, mint élek képviselik. Néhány fontos topológiai paramétert, például az átlagos fokozatot, a középpontosságot, az átlagos csoportosítási együtthatót és a távolságot összehasonlították e két modell között, az 1.táblázat szerint.Az eredmények azt mutatták, hogy az AraGEM sűrűbb szerkezetű, mint a C4GEM, mivel a C3 növény egysejtű, míg a C4 növény mezofill sejtből és köteghüvelyből áll, a kétsejt közötti kapcsolatok nem olyan közel vannak, mint az egysejtűek., Ezután kivontuk az elsődleges anyagcserét a C3 és C4 hálózatokból, beleértve a Calvin ciklust, a fotorespirációt, a TCA ciklust, a nitrogén metabolizmusát, a szacharózt és a keményítő metabolizmusát, valamint néhány jelentős aminosav-anyagcsere-útvonalat. A NET-szintézis segítségével kiszámoltuk a C3 és C4 elsődleges metabolikus hálózatának redundanciáját, ami 0,7175, illetve 0,7606. Ez azt jelenti, hogy a C4 hálózat redundánsabb, így a C4 növény robusztusabb lehet A génmutációra vagy a környezeti változásokra.,

Table 1 Topological properties of AraGEM and C4GEM

Improved models by setting the ratio of carboxylation and oxygenation by Rubisco

Rubisco enzyme (EC: 4.1.1.,39) katalizált két különböző reakciók, CO2, O2, illetve a fotoszintézis, valamint photorespiration:

RuBP + C O 2 + H 2 O – > 2 PGA

(1)

RuBP + O 2 – > PGA + PGCA

(2)

van állandó arány mértéke carboxylation, valamint az oxigenizációt alatt meghatározott részleges nyomás CO2, O2, a környezet ., Ezért nehéz pontosan szimulálni a fluxus változását különböző CO2-koncentráció mellett, anélkül, hogy a Rubisco két reakciójának sebességére korlátoznák, ami csak az AraGEM és a C4GEM korlátozása. Itt javítottuk a két modellt úgy, hogy a két reakciót egy reakcióba egyesítettük:

( r + 1 ) RuBP + r C O 2 + r H 2 O + O 2 – > ( 2 r + 1 ) PGA + pgca

(3)

a karboxiláció és az oxigénezés közötti r arányt a különböző CO2-koncentráció mellett C3-ban a C4 modell a 2.táblázatban látható., Az R részletes kiszámítása a módszerek szakaszban található.

2. Táblázat Az arány r között carboxylation, valamint az oxigenizációt alatt különböző CO2-koncentráció a C3 pedig C4 modell

ezen felül, A motiváció az volt, hogy hasonlítsa össze a különbséget a C3 pedig C4-es fotoszintézis mechanizmus, valamint a válaszok alapján különböző környezetben ezért azt a célt tűzte ki, funkciója, mint maximization a CO2-fixáció, illetve biomassza-szintézis., Mivel a korábbi AraGEM és C4GEM esetében a cél a fényenergia használatának minimalizálása volt a meghatározott növekedési ütem elérése mellett, vissza kell állítanunk néhány fluxuskorlátot a biokémiai ismeretek szerint. Például a CO2 szivárgást blokkolták a köteghüvelyből a mezofill sejtbe, nulla fluxussal a c4gemben, ami nem volt összhangban a tényleges helyzettel; itt állítottuk be ennek a reakciónak a felső határát, hogy lehetővé tegyük a CO2 szivárgását. Ezen túlmenően, mivel a keményítőt nem szintetizálják a C4 növények mezofillsejtjeiben, a c4gem biomassza komponenseit is visszaállították., A TCA-ciklusban a fluxus alsó és felső határát -50-es és 50-es értékre igazították, hogy korlátozzák a mitokondriumokban a légzés áramlását. A továbbfejlesztett modellek módosított korlátainak részlete a kiegészítő fájlból származhat.

a knock-out enzimek metabolikus fluxusra gyakorolt hatása

a továbbfejlesztett C3 és C4 metabolikus hálózatok alapján összehasonlítottuk a biomassza szintézis és a CO2 rögzítés optimális fluxusát FBA alkalmazásával. Ha a biomassza szintézis az objektív funkció, akkor a biomassza maximális fluxusa 3,661, illetve 4,625 mmol·gDW-1·hr-1 A C3 és C4 hálózatokban., Hasonlóképpen, a CO2 rögzítés optimalizálásakor a maximális fluxus 200,95 mmol·gDW-1·hr-1 A C3 hálózatban, 387,619 mmol·gDW-1 * hr-1 A C4 hálózatban. Kimutatta, hogy a C4 hálózat mind a biomassza, mind a CO2-rögzítés magasabb fluxusait mutatta, mint a C3-hálózat, ami összhangban volt a tényleges tendenciával. Arra a következtetésre jutottunk, hogy a két Genom méretű anyagcsere-hálózat megmagyarázhatja a tényleges helyzeteket, és összehasonlítható a C3 és C4 növények hasonlóságainak és különbségeinek megértéséhez.

ezután megvizsgáltuk az enzimkopások hatását a CO2-fixálás és a biomassza fluxusára., Amikor az egyik enzimet kiütötték, annak megfelelő reakcióit törölték, ami a biomassza optimális fluxusának vagy a CO2 rögzítésének megváltozását eredményezte. A szimuláció objektív eredményeit változatlan objektívnek (arány = 1), csökkentett objektívnek (arány ∈ (0, 1)) és objektívnek (arány = 0) minősítették. Az egyszeri reakció deléciónak a C3 és C4 hálózatban a biomassza maximális fluxusára gyakorolt hatását a 3.táblázat mutatja. A reakciók több mint 85%-ának nincs hatása a C3 és C4 hálózat maximális biomasszájára, amikor kiütik őket, ezért arra a következtetésre jutottunk, hogy a két hálózat elképesztő robusztussággal rendelkezik., A reakciók közel 10% – a nulla biomasszát eredményez a C3 és C4 hálózatokban, amelyek néhány fontos szállítót tartalmaznak. A fontos reakciók vagy enzimek, például a foszforibulokináz (PRK, EC: 2.7.1.19) és a fényreakciók egyszeri törlése nem eredményezhet biomasszát, ami összhangban áll a növények valós jellemzőivel .,

3.táblázat a kiütéses reakciók hatása a biomassza maximális fluxusára

Az egyszeri reakció deléció hatásai a C3 és C4 hálózatokra, ha az objektív funkció CO2-rögzítés, a 4. táblázatban láthatók, ami hasonló a 3. táblázathoz. A reakciók több mint 96% – a nem befolyásolja a CO2-rögzítés maximális fluxusát a C3 és C4 hálózatokban történő törléskor. Arra a következtetésre jutottunk, hogy több reakció nincs hatással a CO2 rögzítés maximális fluxusára, mint a biomassza., Mivel a biomassza szintézis számos olyan komponenst tartalmaz, amelyek egynél több reakcióval foglalkoznak, ezek törlése befolyásolja a biomassza szintézis fluxusát. Ezenkívül nyilvánvaló, hogy a C4 növények sokkal jobb robusztusságot mutatnak, mint a C3 növények, mivel az enzim kiütések nagyobb százaléka nem eredményez változást az objektív fluxusban, az alacsonyabb százalék pedig nulla fluxust eredményez. Sőt, azt találtuk, az összes alapvető reakciók C3 hálózat is elengedhetetlen a C4, míg vannak más reakciók kifejezetten elengedhetetlen C4., Ez az eredmény bebizonyította, hogy a C4 növények alapvető anyagcseréje hasonló volt a C3-hoz, de a C4 az evolúció hosszú ideje alatt összetettebbé vált.

4.táblázat a kiütéses reakciók hatása a CO2 rögzítés maximális fluxusára

a két hálózatban a xilóz útvonal ellenőrzésekor találtunk néhány hiányosságot a c4gemben. Az Aragemben két út van a xilóz előállítására, így az UDP-glükóz 6-dehidrogenáz (UDPGDH, EC:1.1.1.22) kiesése nem befolyásolja a biomassza szintézisét., De a c4gem-ben csak az UDPGDH volt felelős a xilóz előállításáért, a másik alternatív út nem működik két hiányzó enzim, a xilóz-izomeráz (EC: 5.3.1.5) és a xilulokináz (EC:2.7.1.17) miatt. Átkutattuk a GeneBank adatbázisát, hogy megtaláljuk a xilóz-izomerázt és géneket kódoló géneket (GeneID: 100194128, 100194385) (GeneID:100282641, 100382670), amelyek xilulokinázt kódolnak. Így kiegészítettük a xilóz utat a c4gem-ben, így elkerülhető az elfogult eredmények.

ezután megvizsgáltuk az egyes kulcsfontosságú enzimek fotoszintézisre és biomassza szintézisre gyakorolt hatását a C3 és C4 növényekben., Az 5. táblázat ezeket az enzimeket, azok funkcióit, valamint a Törlés utáni objektív fluxus arányát szemlélteti. “0”: a kiütött enzim, amely nem eredményez biomasszát vagy CO2-rögzítést, míg az ” 1 ” azt jelenti, hogy nincs hatással a biomassza maximális fluxusára vagy a CO2-rögzítésre. Az enzimek kiütése a Calvin ciklusban halálos hatással van mind a C3, mind a C4 hálózatokra. Például a Calvin ciklus központi enzimje, a Rubisco (EC: 4.1.1.39) katalizálja mind a CO2, mind az O2 rögzítését., Deléciója a CO2-fixáció és a biomassza nulla fluxusát eredményezi, ami összhangban van azzal a ténnyel, hogy a fotoszintézis és a növénynövekedés pozitívan korrelál a Rubisco-aktivitással . A transzaldoláz (TAL, EC: 2.2.1.2) pentóz-foszfát útvonalon és a glikolát-oxidáz (LOX, EC: 1.1.3.15) glioxilátban és dikarboxilát metabolizmusában történő törlésekor a CO2-rögzítés és a biomassza szintén nulla fluxusra csökken ebben a két növényben . Az aconitázok (EC: 4.2.1.3) fontos enzim a TCA-ciklusban, ennek hatására csökkent a CO2-fixáció fluxusa, és a C3-as és C4-es hálózatokban sincs biomassza-fluxus .,

5. Táblázat A hatás kulcsfontosságú enzim kiütéssel optimális fluxus a biomassza CO2 fixáció

A knockout a hosphoglycolate foszfatáz (PGLP, EK: 3.1.3.18) nincs hatással a CO2-fixáció, valamint a biomassza szintézis, mert katalizálja az első reakció a photorespiratory C2 ciklus . A szacharóz-6(f)-foszfát-foszfohidroláz (SPP, EK: 3.1.3.24) katalizálja a szacharóz bioszintézisének utolsó lépését ., A deléciónak nincs hatása, mivel a szacharózszintézis a citozolban található, és nincs közvetlen kapcsolatban a fotoszintézissel. Az amiláz-izomeráz (EC: 2.4.1.18) felelős az átmeneti keményítő kloroplasztban történő szintéziséért, amely kritikus reakció a tároló keményítő normál bioszintézisére, így annak törlése halálos hatással van a biomassza fluxusára mind a C3, mind a C4 növények esetében .

C4 növényekben Foszfoenolpiruvát-karboxiláz (PEPC, EC: 4.1.1.,31) elsősorban a légköri CO2 fotoszintézisben történő kezdeti rögzítését végzi, amely katalizálja a foszfoenolpiruvát (PEP) karboxilációját olyan reakcióban, amely oxaloacetátot és szervetlen foszfátot eredményez . Ezért a PEPC kiesése a biomassza nulla fluxusát eredményezte, amely igazolja döntő szerepét a C4 fotoszintézisben. A piruvát-foszfát-dikináz (PPDK, EC: 2.7.9.1) katalizálja a 3-szén-piruvát vegyület foszfoenolpiruváttá történő átalakítását., Deléciója csökkentette a CO2-rögzítés és a biomassza fluxusát, ami összhangban van a kísérlet eredményeivel, hogy a PPDK gátlása jelentősen gátolja a C4-es növények növekedését . Összehasonlításképpen, ez a két enzim nincs hatással a CO2 rögzítésére és a biomasszára a C3 hálózatban.

Összefügg reakció által meghatározott Mintavételi

vannak reakciók co-hasznosítják pontos sztöchiometrikus arány, valamint a kiállítás összefügg fluxus az anyagcsere-hálózatot, amely összefügg reakció., Az egységes véletlenszerű mintavételi módszert alkalmaztuk a reakciók közötti függőségek meghatározására, amelyeket tovább lehet használni a reakciók moduljainak meghatározására . A C3 hálózat egyszerűsített modellje 494 reakcióval, 483 metabolittal és szűk korlátokkal rendelkezik, amelyek 65 modulra oszthatók, a legnagyobb modul pedig 92 reakcióból áll. A C4 hálózat egyszerűsített modellje 826 reakcióval, 806 metabolittal és szűk korlátokkal rendelkezik, amelyek 113 modulra oszthatók, a legnagyobb modul pedig 169 reakcióból áll. A C4-ben több korrelált reakciókészlet van, mint a C3-hálózatban.,

ugyanazon modul reakcióinak fluxusai lineáris korrelációt mutatnak. Megállapítottuk, hogy a Calvin ciklus reakciói korrelálnak mind a C3, mind a C4 hálózatban, amint azt a 3., illetve a 4. ábra szemlélteti. Vannak azonban olyan reakciók, különböző utak is mutatnak lineáris korrelációt C4 hálózat, de ezek nem korrelálnak C3 modell., Például, a reakciók, a Cukor anyagcserét, Stibene, counarine, valamint lignin bioszintézis, valamint Coumarine, valamint phenylpropanoid bioszintézis utak jelentősen összefügg a C4 (Ábra 5), de nincs összefüggés közöttük a C3 (Ábra 6). Kimutatta, hogy a C4-es növények modularitása jobb, komplex mechanizmussal koordinálja a reakciókat és az útvonalakat, mint a C3-as növényeké.