Topologiske egenskaper av C3 og C4 metabolske nettverk
metabolismen modell av Arabidopsis AraGEM inkluderer 1498 unike reaksjoner, 1765 metabolitter, 83 inter-organell transportører, og 18 inter-mobil transportører . For metabolismen modell av C4-planter C4GEM, det er 2377 reaksjoner, 2886 metabolitter, 177 inter-organell transportører, og 23 eksterne transportører ., Den topologiske egenskaper av AraGEM og C4GEM modellene ble analysert ved hjelp av pajek , hvor reaksjonene er representert som noder og metabolitter som kanter. Noen viktige topologiske parametre som gjennomsnittlig grad, betweenness sentralitet, gjennomsnittlig clustering koeffisient og avstand ble sammenlignet mellom disse to modellene, som vist i Tabell 1.Resultatene viste at AraGEM har en mer tett struktur enn C4GEM, fordi C3 anlegget er encellede, mens C4 anlegget består av mesophyll celle og pakke skjede celle, og forbindelser mellom det to-celler er ikke så nær som én celle., Deretter hentet vi den primære metabolismen fra C3-og C4-nettverk, inkludert Calvin-syklus, fotorespirationen, TCA-syklus, nitrogen metabolisme, sukrose og stivelse metabolisme, og noen store aminosyremetabolismen trasé. Med NETTO-SYNTESE , vi beregnet redundans av primære metabolske nettverk av C3 og C4, som er 0.7175 og 0.7606 henholdsvis. Det betyr C4 nettverk er mer overflødig, slik at C4 anlegget kan være mer robust for å gene mutation eller miljøet endrer seg.,
Improved models by setting the ratio of carboxylation and oxygenation by Rubisco
Rubisco enzyme (EC: 4.1.1.,39) catalyzed to forskjellige reaksjoner med CO2 og O2 henholdsvis i fotosyntesen og fotorespirationen:
Det er et konstant forhold mellom pris av carboxylation og oksygenering under bestemte partialtrykket av CO2 og O2 i miljøet ., Derfor er det vanskelig å nøyaktig simulere flux endre under forskjellige CO2-konsentrasjon, uten begrensninger på frekvensen av de to reaksjoner av Rubisco, som er bare begrensning av AraGEM og C4GEM. Her har vi forbedret de to modellene ved å kombinere de to reaksjoner i én reaksjon:
forholdet r mellom carboxylation og oksygenering under ulike CO2-konsentrasjon i C3-og C4-modell, er vist i Tabell 2., Den detalj beregning av r er i Metoder delen.
I tillegg, vår motivasjon var å sammenligne forskjeller mellom C3 og C4-fotosyntese mekanisme og deres reaksjoner under ulike miljøer, derfor har vi satt mål funksjon som maksimering av CO2-fiksering og biomasse syntese., Siden i forrige AraGEM og C4GEM, målet var å redusere bruken av lys energi og samtidig oppnå en bestemt vekst, trenger vi å tilbakestille noen flux begrensninger i henhold til biokjemi kunnskap. For eksempel CO2-lekkasje var blokkert fra å pakke slire til mesophyll celle med null forandring i C4GEM, som ikke var i samsvar med faktiske situasjonen; her har vi justert de øvre grense for denne reaksjonen til at lekkasje av CO2. I tillegg, fordi stivelse er ikke fremstilt i mesophyll celle av C4-planter, biomasse komponenter av C4GEM var også tilbakestille., Nedre og øvre grenser endring i TCA-syklus ble justert som -50 og 50, for å begrense flux av respirasjon i mitokondriene. Den detalj av endret begrensninger i våre forbedrede modeller kan være fått fra annen Fil.
effektene av knock-out på metabolske enzymer flux
Basert på forbedret C3 og C4 metabolske nettverk, sammenlignet vi den optimale endring av biomasse syntese og CO2-fiksering ved hjelp av FBA. Når biomasse syntese er målet funksjon, maksimal endring av biomasse er 3.661 og 4.625 mmol·gDW-1·t-1 i henholdsvis C3 og C4-nettverk., På samme måte, når du optimaliserer CO2-fiksering, maksimal forandring er 200.95 mmol·gDW-1·t-1 i C3 nettverk og 387.619 mmol·gDW-1·t-1 i C4-nettverk. Det viste at C4 nettverk utstilt både høyere fluks av biomasse og CO2-fiksering enn C3-nettverket, noe som var i samsvar med den faktiske tendens. Vi konkluderte med at de to genome-scale metabolic nettverk kan forklare faktiske situasjoner og bli sammenlignet for å forstå likheter og forskjeller på C3 og C4-planter.
Neste, vi vurdert effekten av enzymet knockouts på fluks av CO2-fiksering og biomasse., Når man enzym var knockout, tilsvarende reaksjoner ville bli slettet, noe som resulterte i endringer i den optimale endring av biomasse eller CO2-fiksering. Målet resultater fra simuleringen ble klassifisert som uendret mål (ratio = 1), redusert mål (forholdet ∈ (0, 1)) og ingen objektiv (ratio = 0). Effekten av enkelt-reaksjon sletting på maksimal forandring av biomasse i C3-og C4-nettverket er vist i Tabell 3. Mer enn 85% reaksjoner har ingen effekt på maksimal biomasse av C3 og C4-nettverk når du blir slått ut, så vi konkluderte med at de to nettverkene har fantastiske robusthet., Nesten 10% av reaksjonene ville resultere i null biomasse i C3-og C4-nettverk, som inkluderer noen viktige transportører. Den eneste sletting av viktige reaksjoner eller enzymer som phosphoribulokinase (PRK, EC: 2.7.1.19) og lys reaksjoner kan resultere i ingen biomasse, som er i samsvar med de reelle egenskaper av planter .,
effekten av enkelt-reaksjon sletting på C3 og C4-nettverk når målet funksjon er CO2-fiksering er vist i Tabell 4 som er lik med Tabell 3. Mer enn 96% reaksjoner har ingen innflytelse på maksimal forandring av CO2-fiksering når det blir slettet i C3-og C4-nettverk. Vi konkluderte med at flere reaksjoner har ingen innflytelse på maksimal forandring av CO2-fiksering enn biomasse., Siden biomasse syntese inneholder mange komponenter som tilbyr med mer enn én reaksjon, deres sletting vil påvirke endring av biomasse syntese. I tillegg er det åpenbart at C4-planter viser mye bedre robusthet enn C3-planter, siden høyere prosentandel av enzymet knockouts resultat ingen endring på mål flux og lavere andel resultat i null forandring. Dessuten, vi fant alle de viktige reaksjoner i C3 nettverk er også viktig for C4, mens det er noen andre reaksjoner som er spesielt viktig for C4., Dette resultatet viste at de grunnleggende metabolismen av C4-planter var lik C3, men C4 ble mer komplekse under lange perioden av utviklingen.
Vi fant ut det er noen hull i C4GEM når du kontrollerer xylose vei i de to nettverkene. I AraGEM, det er to veier å produsere xylose, så knockout av UDP-glukose 6-dehydrogenase (UDPGDH, EC:1.1.1.22) vil ikke innflytelse på biomasse syntese., Men i C4GEM, bare UDPGDH var ansvarlig for xylose produksjon, andre alternative veien fungerer ikke på grunn av to mangler enzymer, xylose isomerase (EC: 5.3.1.5) og xylulokinase (EC:2.7.1.17). Vi søkte i GeneBank databasen for å finne ut at gener (GeneID: 100194128, 100194385) koding av xylose isomerase og gener (GeneID:100282641, 100382670) koding xylulokinase. Så vi suppleres xylose vei i C4GEM, og dermed partisk resultater kan unngås.
Neste vi undersøkte effekten av særlig viktige enzymer på fotosyntesen og biomasse syntese i C3-og C4-planter., Tabell 5 illustrert disse enzymene, deres funksjoner og forholdet mellom mål flux etter sletting. ‘0’ betyr slått ut enzym som resulterer ingen endring av biomasse eller CO2-fiksering, mens ‘1’ betyr at det er ingen innflytelse på maksimal forandring av biomasse eller CO2-fiksering. Fortrenging av enzymer i Calvin-syklusen har dødelige effekter på både C3 og C4-nettverk. For eksempel, den sentrale enzym i Calvin-syklus, Rubisco (EC: 4.1.1.39) catalyzes fiksering av både CO2 og O2., Sletting resulterer i null fluks av CO2-fiksering og biomasse, som er i overensstemmelse med det faktum at fotosyntesen og anlegg vekst er positivt korrelert med Rubisco aktivitet . Når du sletter transaldolase (TAL, EC: 2.2.1.2) i pentose fosfat vei og glycolate oxidase (LOX, EC: 1.1.3.15) i glyoxylate og dicarboxylate metabolisme vei, CO2-fiksering og biomasse vil også redusere til null forandring i disse to anleggene . Aconitases (EC: 4.2.1.3) er et viktig enzym i TCA-syklus, sin knockout redusert fluks av CO2-fiksering, og helt uten endring av biomasse i både C3 og C4-nettverk .,
knockout av hosphoglycolate fosfatase (PGLP, EC: 3.1.3.18) har ingen effekt på CO2-fiksering og biomasse syntese, fordi det catalyzes den første reaksjonen av photorespiratory C2 syklus . Sukrose-6(F)-fosfat phosphohydrolase (SPP, EC: 3.1.3.24) catalyzes det siste steget på veien av sukrose biosyntese ., Sletting har ingen innflytelse, fordi sukrose syntese finner i cytosol, og har ingen direkte forbindelse med fotosyntese. Amylase isomerase (EC: 2.4.1.18) er ansvarlig for syntese av forbigående stivelse i chloroplast, som er kritisk reaksjon for normal biosyntese av lagring stivelse, slik sletting har dødelig effekt på biomasse flux for både C3 og C4-planter .
I C4-planter, Phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC, EC: 4.1.1.,31) spesielt utfører den innledende fiksering av atmosfærisk CO2 i fotosyntesen, som catalyzes den carboxylation av phosphoenolpyruvate (PEP) i en reaksjon som gir oxaloacetate og uorganisk fosfat . Derfor, knockout av PEPC resulterte i null endring av biomasse, som validerer sin avgjørende rolle i C4-fotosyntese. Pyruvate fosfat dikinase (PPDK, EC: 2.7.9.1) catalyzes konvertering av 3-karbon sammensatt pyruvate inn phosphoenolpyruvate., Sletting av redusert fluks av CO2-fiksering og biomasse, som er i overensstemmelse med eksperiment resultat at hemming av PPDK betydelig hindrer C4 plantevekst . I sammenligningen, disse to enzymer har ingen effekt på CO2-fiksering og biomasse i C3-nettverk.
Korrelert reaksjon setter identifisert ved Prøvetaking
Det er noen reaksjoner co-utnyttet i presis stoichiometric forholdstall og utstilling korrelert flux i metabolske nettverk, som kalles korrelert reaksjon sett., Vi brukte uniform random sampling metoden for å fastslå avhengigheter mellom reaksjoner som kan brukes videre til å definere moduler av reaksjoner . Forenklet modell av C3-nettverket har 494 reaksjoner, 483 metabolitter og smalt spekter på begrensninger, som kan deles i 65 moduler og den største modulen består av 92 reaksjoner. Forenklet modell av C4-nettverket har 826 reaksjoner, 806 metabolitter og smalt spekter på begrensninger, som kan deles i 113 moduler og den største modulen består av 169 reaksjoner. Det er mer korrelert reaksjon setter i C4 enn C3-nettverk.,
fluksene av reaksjoner i den samme modulen viser lineær korrelasjon. Vi fant reaksjoner i Calvin-syklusen er korrelert både C3 og C4-nettverket, som illustrert i Figur 3 og 4 henholdsvis. Det er imidlertid noen reaksjoner fra ulike veier også utstilling lineær korrelasjon i C4-nettverket, men de er ikke korrelert i C3-modellen., For eksempel reaksjoner fra Sukker metabolisme, Stibene, counarine og lignin biosyntese, og Coumarine og phenylpropanoid biosyntese trasé er signifikant korrelert i C4 (vist i Figur 5), men ingen korrelasjon mellom dem i C3 (vist i Figur 6). Det viste at C4-planter har bedre fleksibilitet med kompleks mekanisme koordinerer reaksjoner og trasé enn C3-planter.
Korrelert reaksjon sett av Calvin syklus i C3-nettverk.,
Correlated reaction sets of Calvin cycle in C4 network.
The reactions from several pathways are correlated in C4 network.,
Den reaksjoner fra flere veier samme med C4 er ikke korrelert i C3-nettverk.
Sammenligning av svar på ulike miljøforhold
biomasse og CO2-fiksering av C3 og C4 modellene ble simulert under ulike lys-intensitet, som vist i Figur 7 og 8., C3-modellen (rødt i Figur 7) og C4-modellen (blått i Figur 7) presentert lineær sammenheng mellom biomasse og lysintensitet når lysintensiteten er mindre enn 1500. Så med lysintensiteten øker, biomasse ville være uendret i C4-modellen og fortsatt økt i C3-modellen. C3-modellen (rødt i Figur 8) og C4-modellen (blått i Figur 8) også presentert lineær sammenheng mellom CO2-fiksering og lysintensitet når lysintensiteten er mindre enn 1600. Deretter CO2-fiksering var nesten å holde uendret., Økningen av både biomasse og CO2-fiksering med lysintensitet i C4 er raskere enn det som i C3, som reflekterer en mer effektiv bruk av solenergi i C4-planter . I tillegg har vi simulert flux av biomasse syntese og CO2-fiksering under ulike CO2-konsentrasjon, som vist i Figur 9 og 10. Jo mer CO2-konsentrasjonen øker, jo mer forandring av biomasse og CO2-fiksering, og øke gradvis endres langsomt til å steady state. Den simulerte curve var i overensstemmelse med eksperiment A-Ci-kurven ., Vi fant ut at økningen av både biomasse og CO2-fiksering med CO2-konsentrasjon i C4 er raskere enn det som i C3, som reflekterer en mer effektiv bruk av CO2 i C4-planter.
effekten av lys-intensiteten på biomasse syntese i C3-og C4-modellen.
effekten av lys-intensiteten på CO 2-fiksering i C3-og C4-modellen.,
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 av ulike C4 undertyper til biomasse produksjon
C4-planter kan deles i tre undergrupper i henhold til decarboxylation moduser: NADP-malic enzym (NADP-MEG), NAD-malic enzym (NAD-MEG) og PEP carboxykinase (PCK). Vi utforsket den innflytelse hver subtype av biomasse syntese og CO2-fiksering, ved å blokkere flux av to andre enzymer og gir nok tilførsel av vann og nitrogen. Som vist i Tabell 6, for hver enkelt undergruppe, bare de tilsvarende enzymet har flux og de to andre enzymer har null forandring., Det er små forskjeller på biomasse i tre undertyper. I sammenligningen, flux av biomasse og CO2-fiksering er maksimal i PCK undertype. Videre, når alle de tre undertyper er antatt å være aktiv i en metabolisme system, PCK undertype er overlegen til å bli brukt for CO2 decarboxylation. Disse resultatene er konsistent med Fravolini er eksperimenter som fotosyntetiske ytelse og over bakken biomasse produksjon av B. curtipendula, (PCK subtype) er større enn NADP-MEG og NAD-MEG-typer ., Men fotosyntesen og biomasse av ulike undertyper også avhenge av miljø betingelser, inkludert vann og nitrogen tilførsel . For eksempel, noen arter av NADP-MEG-typen viser en høyere forekomst av fotosyntetiske og biomasse produksjon under lave nitrogen tilgjengelighet . Derfor, for å tydelig belyse overlegenhet av C4-undertyper, ytterligere design og analyse under multi-fakultet kombinasjon av miljøforhold er nødvendig.,