topologische kenmerken van C3-en C4-metabole netwerken
Het metabolismemodel van Arabidopsis AraGEM omvat 1498 unieke reacties, 1765 metabolieten, 83 Inter-organel transporters en 18 intercellulaire transporters . Voor het metabolisme model van C4 planten c4gem, zijn er 2377 reacties, 2886 metabolieten, 177 inter-organel transporters, en 23 externe transporters ., De topologische eigenschappen van AraGEM en c4gem modellen werden geanalyseerd gebruikend pajek , waar reacties als knopen en metabolites als randen worden vertegenwoordigd. Enkele belangrijke topologische parameters zoals de gemiddelde graad, de onderlinge centraliteit, de gemiddelde clusteringscoëfficiënt en de afstand werden vergeleken tussen deze twee modellen, zoals weergegeven in Tabel 1.De resultaten toonden aan dat de AraGEM een dichte structuur heeft dan C4GEM, omdat C3 plant eencellig is, terwijl C4 plant bestaat uit mesofyl cel en bundel schede cel, de verbindingen tussen twee-cellen zijn niet zo dicht als eencellig., Daarna extraheerden we het primaire metabolisme uit C3-en C4-netwerken, waaronder Calvin-cyclus, fotorespiratie, TCA-cyclus, stikstofmetabolisme, sucrose-en zetmeelmetabolisme en enkele belangrijke aminozuurmetabolismeroutes. Met behulp van NET-synthese, berekenden we de redundantie van primaire metabolische netwerk van C3 en C4, die respectievelijk 0,7175 en 0,7606. Het betekent dat C4-netwerk meer redundant is zodat C4-plant robuuster kan zijn voor genmutatie of omgevingsveranderingen.,
Improved models by setting the ratio of carboxylation and oxygenation by Rubisco
Rubisco enzyme (EC: 4.1.1.,39) gekatalyseerd twee verschillende reacties met CO2 en O2 respectievelijk in de fotosynthese en photorespiration:
Er is een constante verhouding tussen het tarief van de carboxylering en zuurstofvoorziening in het kader van specifieke partiële druk van CO2 en O2 in de omgeving ., Daarom is het moeilijk om de fluxverandering onder verschillende CO2-concentratie nauwkeurig te simuleren zonder beperkingen op de snelheid van de twee reacties door Rubisco, die slechts de beperking van AraGEM en C4GEM is. Hier hebben we de twee modellen verbeterd door de twee reacties te combineren tot één reactie:
de verhouding r tussen carboxylering en oxygenatie onder verschillende CO2 concentratie in C3 en C4 model is zie Tabel 2., De gedetailleerde berekening van r is in de sectie methoden.
bovendien was onze motivatie om de verschillen tussen C3 en C4 fotosynthese mechanisme en hun reacties onder verschillende omgevingen te vergelijken, daarom stellen we de objectieve functie als maximalisatie van CO2-fixatie en biomassasynthese., Aangezien in eerdere AraGEM en C4GEM, het doel was om het gebruik van lichtenergie te minimaliseren terwijl het bereiken van een gespecificeerde groeisnelheid, moeten we een aantal flux beperkingen op basis van biochemie kennis resetten. Bijvoorbeeld, de CO2 lekkage werd geblokkeerd van Bundel schede naar mesofyl cel met nul flux in C4GEM, wat niet consistent was met de werkelijke situatie; hier hebben we de bovengrens van deze reactie aangepast om de lekkage van CO2 mogelijk te maken. Bovendien, omdat zetmeel niet wordt gesynthetiseerd in mesofyl cel van C4 planten, de biomassa componenten van C4GEM werden ook gereset., De onder-en bovengrenzen van flux in TCA-cyclus werden aangepast als -50 en 50, om de flux van ademhaling in mitochondriën te beperken. Het detail van gewijzigde beperkingen in onze verbeterde modellen kan worden verkregen uit het aanvullende bestand.
de effecten van knock-out enzymen op de metabole flux
gebaseerd op de verbeterde C3 en C4 metabole netwerken, vergeleken we de optimale flux van biomassa synthese en CO2 fixatie met behulp van FBA. Wanneer biomassasynthese de objectieve functie is, is de maximale stroom van biomassa respectievelijk 3,661 en 4,625 mmol * GDW-1 * hr-1 in C3-en C4-netwerken., Ook bij het optimaliseren van de CO2-fixatie is de maximale flux 200,95 mmol * GDW-1·hr-1 in C3-netwerk en 387,619 mmol·gDW-1·hr-1 in C4-netwerk. Het toonde aan dat het C4-netwerk zowel hogere stromen van biomassa als CO2-fixatie vertoonde dan het C3-netwerk, wat consistent was met de werkelijke tendens. We concludeerden dat de twee genoom-schaal metabolische netwerken werkelijke situaties kunnen verklaren en worden vergeleken voor het begrijpen van de overeenkomsten en verschillen van C3 en C4 planten.
vervolgens evalueerden we de effecten van enzyme knockouts op de flux van CO2-fixatie en biomassa., Wanneer één enzym knockout was, zouden zijn overeenkomstige reacties worden geschrapt, die in veranderingen van de optimale flux van biomassa of CO2-fixatie resulteerden. De objectieve resultaten van de simulatie werden geclassificeerd als onveranderde doelstelling (ratio = 1), gereduceerde doelstelling (ratio ∈ (0, 1)) en geen doelstelling (ratio = 0). De effecten van eenmalige verwijdering van de reactie op de maximale stroom van biomassa in het C3-en C4-netwerk zijn weergegeven in Tabel 3. Meer dan 85% reacties hebben geen effect op de maximale biomassa van C3 en C4 netwerk wanneer ze worden uitgeschakeld, dus we concludeerden dat de twee netwerken hebben verbazingwekkende robuustheid., Bijna 10% van de reacties zou resulteren in nul biomassa in C3 en C4 netwerken, die enkele belangrijke transporters omvatten. De eenmalige deletie van belangrijke reacties of enzymen zoals fosforibulokinase (PRK, EC: 2.7.1.19) en lichtreacties kan leiden tot geen biomassa, wat overeenkomt met de werkelijke eigenschappen van planten .,
de effecten van single reaction deletion on C3 and C4 networks when objective function is CO2 fixation worden weergegeven in Tabel 4 die vergelijkbaar is met Tabel 3. Meer dan 96% van de reacties hebben geen invloed op de maximale flux van CO2-fixatie wanneer ze worden verwijderd in C3-en C4-netwerken. We concludeerden dat meer reacties geen invloed hebben op de maximale flux van CO2-fixatie dan biomassa., Aangezien biomassasynthese vele componenten omvat die met meer dan één reactie te maken hebben, zal hun verwijdering de flux van biomassasynthese beïnvloeden. Bovendien is het duidelijk dat C4-planten een veel betere robuustheid vertonen dan C3-planten, omdat een hoger percentage van de enzymknockouts geen verandering van de objectieve flux en een lager percentage resulteert in nul flux. Bovendien vonden we dat alle essentiële reacties in C3-netwerk ook essentieel zijn voor C4, terwijl er enkele andere reacties specifiek essentieel zijn voor C4., Dit resultaat bewees dat het basismetabolisme van C4-planten vergelijkbaar was met C3, maar C4 werd complexer tijdens een lange periode van evolutie.
We vonden enkele hiaten in C4GEM bij het controleren van de xylose-route in de twee netwerken. In AraGEM zijn er twee routes om xylose te produceren, dus knockout van UDP-glucose 6-dehydrogenase (UDPGDH, EC: 1.1.1.22) zal niet van invloed zijn op de biomassasynthese., Maar in C4GEM was alleen UDPGDH verantwoordelijk voor de productie van xylose, de andere alternatieve route werkt niet vanwege twee ontbrekende enzymen, xylose-isomerase (EC: 5.3.1.5) en xylulokinase (EC:2.7.1.17). We hebben in de databank van GeneBank gezocht naar genen (GeneID: 100194128, 100194385) die xylose-isomerase coderen en genen (GeneID:100282641, 100382670) die xylulokinase coderen. Dus vulde we de xylose weg in C4GEM, dus de bevooroordeelde resultaten kunnen worden vermeden.vervolgens onderzochten we de effecten van bepaalde sleutelenzymen op fotosynthese en biomassasynthese in C3-en C4-planten., Tabel 5 illustreert deze enzymen, hun functies en de verhouding van de objectieve flux na verwijdering. “0” het uitgeschakelde enzym dat geen biomassa-of CO2-fixatieflux veroorzaakt, terwijl ” 1 ” betekent dat er geen invloed is op de maximale biomassa-of CO2-fixatieflux. Knock-outs van enzymen in Calvin cyclus hebben dodelijke effecten op zowel C3 en C4 netwerken. Bijvoorbeeld, het centrale enzym van Calvijncyclus, Rubisco (EC: 4.1.1.39) katalyseert de fixatie van zowel CO2 als O2., De verwijdering ervan resulteert in een nulflux van CO2-fixatie en biomassa, wat overeenkomt met het feit dat fotosynthese en plantengroei positief gecorreleerd is met Rubisco-activiteit . Bij het schrappen van transaldolase (TAL, EC: 2.2.1.2) in de pentosefosfaatroute en glycolaatoxidase (LOX, EC: 1.1.3.15) in de glyoxylaat-en dicarboxylaatmetabolismeroute, zullen ook de CO2-fixatie en biomassa in deze twee installaties tot nul flux verminderen . Aconitasen (EC: 4.2.1.3) is een belangrijk enzym in de TCA-cyclus, de knock-out verminderde de flux van CO2-fixatie en volledig geen flux van biomassa in zowel C3-als C4-netwerken .,
de knockout van hosphoglycolaatfosfatase (PGLP, EC: 3.1.3.18) heeft geen effect op de CO2-fixatie en biomassasynthese, omdat het katalyseert de eerste reactie van de fotorespiratoire C2-cyclus . Sucrose-6 (F)-fosfaat fosfohydrolase (SPP, EC: 3.1.3.24) katalyseert de laatste stap in de route van sucrose biosynthese ., De schrapping ervan heeft geen invloed, omdat sucrose synthese lokaliseert in cytosol en heeft geen directe verbinding met fotosynthese. Amylase isomerase (EC: 2.4.1.18) is verantwoordelijk voor de synthese van transitorisch zetmeel in chloroplast, de kritische reactie voor de normale biosynthese van opslagzetmeel, zodat de verwijdering ervan dodelijk effect heeft op de biomassaflux voor zowel C3-als C4-planten .
in C4-planten, Fosfoenolpyruvaatcarboxylase (PEPC, EC: 4.1.1.,31) voert met name de eerste fixatie van atmosferische CO2 in fotosynthese uit, die de carboxylatie van fosfoenolpyruvaat (PEP) katalyseert in een reactie die oxaloacetaat en anorganisch fosfaat oplevert . Daarom, resulteerde knockout van PEPC in nul flux van biomassa, die zijn cruciale rol in C4 fotosynthese valideert. Pyruvaatfosfaat dikinase (PPDK, EC: 2.7.9.1) katalyseert de omzetting van de 3-koolstofverbinding pyruvaat in fosfoenolpyruvaat., De verwijdering ervan verminderde de flux van CO2-fixatie en biomassa, wat consistent is met experimenteerresultaten dat remming van PPDK de groei van C4-planten aanzienlijk belemmert . Ter vergelijking: deze twee enzymen hebben geen effect op de CO2-fixatie en biomassa in het C3-netwerk.
gecorreleerde reactiesets geïdentificeerd door bemonstering
Er zijn enkele reacties die samen worden gebruikt in precieze stoichiometrische verhoudingen en vertonen gecorreleerde flux in het metabolische netwerk, dat gecorreleerde reactiesets genoemd wordt., We gebruikten de uniforme aselecte steekproefmethode om afhankelijkheden tussen reacties te bepalen die verder kunnen worden gebruikt om modules van reacties te definiëren . Het vereenvoudigde model van het netwerk C3 heeft 494 reacties, 483 metabolites en smalle waaier op beperkingen, die in 65 modules kunnen worden gescheiden en de grootste module uit 92 reacties bestaat. Het vereenvoudigde model van het C4-netwerk heeft 826 reacties, 806 metabolites en smalle waaier op beperkingen, die in 113 modules kunnen worden gescheiden en de grootste module uit 169 reacties bestaat. Er zijn meer gecorreleerde reactiesets in C4 dan C3 netwerk.,
de fluxen van reacties in dezelfde module vertonen een lineaire correlatie. We vonden dat de reacties in Calvijn cyclus gecorreleerd zijn in zowel C3 als C4 netwerk, zoals weergegeven in Figuur 3 en 4 respectievelijk. Nochtans, zijn er sommige reacties van verschillende wegen vertonen ook lineaire correlatie in C4 netwerk, maar zij zijn niet gecorreleerd in C3 model., De reacties van het suikermetabolisme, de biosynthese van Stibeen, counarine en lignine, en de biosynthese van Coumarine en fenylpropanoide routes zijn bijvoorbeeld significant gecorreleerd in C4 (getoond in Figuur 5), maar geen correlatie tussen hen in C3 (getoond in Figuur 6). Het toonde aan dat C4-planten een betere modulariteit hebben met een complex mechanisme dat de reacties en routes coördineert dan die van C3-planten.
gecorreleerde reactiesets van Calvin cyclus in C3 netwerk.,
Correlated reaction sets of Calvin cycle in C4 network.
The reactions from several pathways are correlated in C4 network.,
de reacties van verschillende routes hetzelfde met C4 zijn niet gecorreleerd in C3 netwerk.
vergelijking van de respons op verschillende omgevingsomstandigheden
de biomassa-en CO2-fixatie van C3-en C4-modellen werd gesimuleerd onder verschillende lichtintensiteit, zoals weergegeven in Figuur 7 en 8., Het C3-model (rood in Figuur 7) en het C4-model (blauw in Figuur 7) presenteerden een lineair verband tussen biomassa en lichtintensiteit wanneer de lichtintensiteit minder dan 1500 bedraagt. Dan met de lichtintensiteit toenemen, zou de biomassa ongewijzigd in C4 model en nog steeds verhoogd in C3 model. Het C3-model (rood in Figuur 8) en het C4-model (blauw in Figuur 8) gaven ook een lineair verband tussen de CO2-fixatie en de lichtintensiteit wanneer de lichtintensiteit minder dan 1600 bedraagt. Toen bleef de CO2-fixatie bijna onveranderd., De toename van zowel biomassa als CO2-fixatie met lichtintensiteit in C4 is sneller dan die in C3, die een efficiënter gebruik van zonne-energie in C4-installaties weerspiegelen . Daarnaast simuleerden we de flux van biomassasynthese en CO2-fixatie onder verschillende CO2-concentratie, zoals weergegeven in Figuur 9 en 10. Hoe meer CO2 concentratie toeneemt, hoe meer flux van biomassa en CO2 fixatie, en de toename geleidelijk langzaam veranderen tot steady state. De gesimuleerde curve kwam overeen met de experiment a-Ci curve ., We ontdekten dat de toename van zowel biomassa als CO2-fixatie met CO2-concentratie in C4 sneller is dan die in C3, wat een efficiënter gebruik van CO2 in C4-installaties weergeeft.
het effect van lichtintensiteit op de biomassasynthese in het C3-en C4-model.
het effect van lichtintensiteit op co 2 fixatie in C3 en C4 model.,
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.,
bijdrage van verschillende C4-subtypes aan de biomassaproductie
C4-planten kunnen worden ingedeeld in drie subtypes volgens decarboxyleringsmodi: NADP-malic enzyme (NADP-ME), NAD-malic enzyme (NAD-ME) en PEP carboxykinase (PCK). We onderzochten de invloed van elk subtype op biomassasynthese en CO2-fixatie, door de flux van andere twee enzymen te blokkeren en voldoende toevoer van water en stikstof te geven. Zoals in Tabel 6 is aangegeven, heeft voor elk specifiek subtype alleen het corresponderende enzym flux en hebben de andere twee enzymen geen flux., Er zijn weinig verschillen op biomassa in de drie subtypes. Ter vergelijking, de flux van biomassa en CO2 fixatie zijn maximaal in PCK subtype. Wanneer bovendien wordt aangenomen dat alle drie subtypes in één metabolismesysteem actief zijn, is het PCK-subtype beter te gebruiken voor CO2-decarboxylering. Deze resultaten zijn consistent met Fravolini ‘ s experimenten dat fotosynthetische prestaties en bovengrondse biomassaproductie van B. curtipendula (PCK subtype) groter zijn dan NADP-ME en NAD-ME types ., De fotosynthese en biomassa van verschillende subtypes hangen echter ook af van de omgevingsomstandigheden, waaronder de water-en stikstofvoorziening . Sommige soorten van het NADP-ME-type vertonen bijvoorbeeld hogere fotosynthetische en biomassaproductie bij lage stikstofbeschikbaarheid . Daarom, om de superioriteit van C4 subtypes duidelijk te verklaren, zijn verder ontwerp en analyse onder multi-factorial combinatie van milieuvoorwaarden vereist.,