Systematic Comparison of C3 and C4 Plants Based on Metabolic Network Analysis / BMC Systems Biology

Topological characteristics of C3 and C4 metabolic networks

model metabolizmu Arabidopsis AraGEM obejmuje 1498 unikalnych reakcji, 1765 metabolitów, 83 transportery międzyrządowe i 18 transporterów międzykomórkowych . Dla modelu metabolizmu roślin C4 c4gem istnieje 2377 reakcji, 2886 metabolitów, 177 transporterów międzyrządowych i 23 transporterów zewnętrznych ., Właściwości topologiczne modeli AraGEM i C4GEM zostały przeanalizowane przy użyciu pajeka, gdzie reakcje są reprezentowane jako węzły i metabolity jako krawędzie. Niektóre ważne parametry topologiczne, takie jak średni stopień, między centralizacja, średni współczynnik klastrowania i odległość zostały porównane między tymi dwoma modelami, jak pokazano w tabeli 1.Wyniki wykazały, że AraGEM ma bardziej gęstą strukturę niż C4GEM, ponieważ roślina C3 jest jednokomórkowa, podczas gdy roślina C4 składa się z komórki mezofilowej i komórki osłonki wiązki, połączenia między dwoma komórkami nie są tak bliskie jak jednokomórkowe., Następnie wyodrębniliśmy główny metabolizm z sieci C3 I C4, w tym cykl Calvina, fotorespirację, cykl TCA, metabolizm azotu, metabolizm sacharozy i skrobi oraz niektóre główne szlaki metabolizmu aminokwasów. Wykorzystując syntezę netto, obliczyliśmy redundancję pierwotnej sieci metabolicznej C3 I C4, która wynosi odpowiednio 0,7175 i 0,7606. Oznacza to, że sieć C4 jest bardziej redundantna, więc instalacja C4 może być bardziej odporna na mutacje genów lub zmiany środowiska.,

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) katalizuje dwie różne reakcje z CO2 i O2 odpowiednio w fotosyntezie i fotorespiracji:

RuBP + C O 2 + H 2 O – > 2 PGA

(1)

RuBP + o 2 – > PGA + pgca

(2)

istnieje stały stosunek szybkości karboksylacji i natlenienia pod określonym ciśnieniem cząstkowym CO2 i O2 w środowisku ., Dlatego trudno jest dokładnie symulować zmianę strumienia przy różnym stężeniu CO2 bez ograniczeń tempa dwóch reakcji Rubisco, co jest tylko ograniczeniem Aragema i C4GEM. Tutaj ulepszyliśmy dwa modele łącząc te dwie reakcje w jedną reakcję:

( R + 1 ) RuBP + R C O 2 + R H 2 O + O 2 – > ( 2 R + 1 ) PGA + PGCA

(3)

stosunek R między karboksylacją i utlenianiem w różnych stężeniach CO2 w C3 model C4 przedstawiono w tabeli 2., Szczegółowe obliczenie r znajduje się w sekcji Metody.

Table 2 The ratio R between carboxylation and oxygenation under different CO2 concentration in C3 and C4 model

ponadto naszą motywacją było porównanie różnic między mechanizmem fotosyntezy C3 I C4 oraz ich odpowiedzi w różnych środowiskach, dlatego wyznaczamy funkcję celu jako maksymalizację utrwalania CO2 i syntezy biomasy., Ponieważ w poprzednich AraGEM i C4GEM celem było zminimalizowanie zużycia energii świetlnej przy jednoczesnym osiągnięciu określonego tempa wzrostu, musimy zresetować pewne ograniczenia strumienia zgodnie z wiedzą biochemiczną. Na przykład, wyciek CO2 został zablokowany z osłony wiązki do komórki mezofilu z zerowym strumieniem w C4GEM, co nie było zgodne z rzeczywistą sytuacją; tutaj skorygowaliśmy górną granicę tej reakcji, aby umożliwić wyciek CO2. Ponadto, ponieważ skrobia nie jest syntetyzowana w komórce mezofilowej roślin C4, resetowano również składniki biomasy C4GEM., Dolne i górne granice strumienia w cyklu TCA zostały dostosowane jako -50 i 50, aby ograniczyć strumień oddychania w mitochondriach. Szczegóły zmodyfikowanych ograniczeń w naszych ulepszonych modelach można uzyskać z dodatkowego pliku.

wpływ enzymów wybijających na strumień metaboliczny

w oparciu o ulepszone sieci metaboliczne C3 I C4 porównaliśmy optymalny strumień syntezy biomasy i wiązania CO2 za pomocą FBA. Gdy synteza biomasy jest funkcją obiektywną, maksymalny strumień biomasy wynosi odpowiednio 3,661 i 4,625 mmol * gDW·1 * hr-1 w sieciach C3 I C4., Podobnie przy optymalizacji utrwalania CO2 maksymalny strumień wynosi 200,95 mmol * gDW·1 * hr – 1 w sieci C3 i 387,619 mmol * gDW·1 * hr-1 W Sieci C4. Wykazano, że sieć C4 wykazywała zarówno wyższe strumienie biomasy, jak i Wiązanie CO2 niż sieć C3, co było zgodne z rzeczywistą tendencją. Doszliśmy do wniosku, że dwie sieci metaboliczne w skali genomu mogą wyjaśnić rzeczywiste sytuacje i być porównane do zrozumienia podobieństw i różnic C3 I C4 roślin.

następnie oceniliśmy wpływ knockoutów enzymatycznych na strumień wiązania CO2 i biomasę., Gdy jeden enzym był knockout, jego odpowiadające mu reakcje były usuwane, co skutkowało zmianami optymalnego strumienia biomasy lub wiązania CO2. Wyniki symulacji zostały sklasyfikowane jako niezmieniony cel (stosunek = 1), zmniejszony cel (stosunek ∈ (0 ,1)) i brak celu (stosunek = 0). Wpływ delecji pojedynczej reakcji na maksymalny strumień biomasy w sieci C3 I C4 przedstawiono w tabeli 3. Ponad 85% reakcji nie ma wpływu na maksymalną biomasę sieci C3 I C4, więc doszliśmy do wniosku, że obie sieci mają niesamowitą wytrzymałość., Prawie 10% reakcji spowodowałoby zerową biomasę w sieciach C3 I C4, które obejmują niektóre ważne transportery. Pojedyncze usunięcie ważnych reakcji lub enzymów, takich jak fosforibulokinaza (PRK, EC: 2.7.1.19) i reakcje świetlne, może spowodować brak biomasy, co jest zgodne z rzeczywistymi cechami roślin .,

Table 3 The effects of knockout reactions on maximal flux of biomass

the effects of single reaction deletion on C3 and C4 networks when objective function is CO2 fixation are showed in Table 4 which is similar with Table 3. Ponad 96% reakcji nie ma wpływu na maksymalny strumień utrwalania CO2 podczas usuwania w sieciach C3 I C4. Doszliśmy do wniosku, że więcej reakcji nie ma wpływu na maksymalny strumień wiązania CO2 niż biomasa., Ponieważ synteza biomasy zawiera wiele składników, które zajmują się więcej niż jedną reakcją, ich usunięcie wpłynie na strumień syntezy biomasy. Ponadto oczywiste jest, że rośliny C4 wykazują znacznie lepszą wytrzymałość niż rośliny C3, ponieważ wyższy procent knockoutów enzymu nie powoduje zmiany obiektywnego strumienia, a niższy procent powoduje zerowy strumień. Co więcej, okazało się, że wszystkie niezbędne reakcje w sieci C3 są również niezbędne dla C4, podczas gdy istnieją inne reakcje szczególnie istotne dla C4., Wynik ten udowodnił, że podstawowy metabolizm roślin C4 był podobny do C3, ale C4 stał się bardziej złożony w długim okresie ewolucji.

Table 4 The effects of knockout reactions on maximal flux of CO2 fixation

we found there are some luki w c4gem when checking the xylose pathway in the two networks. W Aragemie istnieją dwie drogi wytwarzania ksylozy, więc knockout 6-dehydrogenazy UDP-glukoza (UDPGDH, EC: 1.1.1.22)nie będzie miał wpływu na syntezę biomasy., Ale w C4GEM tylko UDPGDH był odpowiedzialny za produkcję ksylozy, inny alternatywny szlak nie działa z powodu dwóch brakujących enzymów, izomerazy ksylozy (EC: 5.3.1.5) i ksylulokinazy (EC:2.7.1.17). Przeszukaliśmy bazę danych GeneBank, aby znaleźć geny (GeneID: 100194128, 100194385) kodujące izomerazę ksylozową i geny (GeneID:100282641, 100382670) kodujące ksylulokinazę. Uzupełniliśmy więc szlak ksylozy w C4GEM, dzięki czemu można uniknąć stronniczych wyników.

następnie zbadano wpływ poszczególnych kluczowych enzymów na fotosyntezę i syntezę biomasy w roślinach C3 I C4., W tabeli 5 przedstawiono te enzymy, ich funkcje i stosunek obiektywnego strumienia po usunięciu. „0” oznacza wyeliminowany enzym, który nie powoduje strumienia biomasy ani wiązania CO2, podczas gdy ” 1 ” oznacza, że nie ma wpływu na maksymalny strumień biomasy lub wiązania CO2. Wybicia enzymów w cyklu Calvina mają śmiertelny wpływ zarówno na sieci C3, jak i C4. Na przykład centralny enzym cyklu Calvina, Rubisco (EC: 4.1.1.39) katalizuje Wiązanie zarówno CO2, jak i O2., Jego usunięcie skutkuje zerowym strumieniem wiązania CO2 i biomasy, co zgadza się z tym, że fotosynteza i wzrost roślin są pozytywnie skorelowane z aktywnością Rubisco . Usuwając transaldolazę (Tal, EC: 2.2.1.2) w szlaku pentozofosforanowym i oksydazę glikolanową (LOX, EC: 1.1.3.15) w szlaku metabolizmu glioksylanów i dikarboksylanów, Wiązanie CO2 i biomasa również zmniejszą do zera strumień w tych dwóch roślinach . Akonitazy (EC: 4.2.1.3) są ważnym enzymem w cyklu TCA, jego knockout zmniejsza strumień wiązania CO2 i całkowicie nie ma strumienia biomasy zarówno w sieciach C3, jak i C4 .,

Table 5 the effects of key enzym knockouts on optimal flux of biomass and CO2 fixation

knockout of hosphoglicolate phosphatase (PGLP, EC: 3.1.3.18) has no effect on the Wiązanie CO2 i synteza biomasy, ponieważ katalizuje pierwszą reakcję cyklu fotorespiracyjnego C2 . Sacharoza-6 (F)-fosfohydrolaza fosforanowa (SPP, EC: 3.1.3.24) katalizuje końcowy etap biosyntezy sacharozy ., Jej delecja nie ma wpływu, ponieważ synteza sacharozy lokalizuje się w cytozolu i nie ma bezpośredniego związku z fotosyntezą. Izomeraza amylazy (EC: 2.4.1.18) odpowiada za syntezę skrobi przejściowej w chloroplastach, która jest reakcją krytyczną dla normalnej biosyntezy skrobi magazynującej, więc jej usunięcie ma śmiertelny wpływ na strumień biomasy zarówno dla roślin C3, jak i C4 .

w roślinach C4 karboksylaza Fosfoenolopirogronianowa (PEPC, EC: 4.1.1.,31) w szczególności wykonuje początkowe utrwalenie atmosferycznego CO2 w fotosyntezie, które katalizuje karboksylację fosfoenolopirogronianu (PEP) w reakcji, która daje szczawiooctan i nieorganiczny fosforan . Dlatego knockout PEPC spowodował zerowy strumień biomasy, co potwierdza jego kluczową rolę w fotosyntezie C4. Dikinaza fosforanowa pirogronianu (PPDK, EC: 2.7.9.1) katalizuje przemianę pirogronianu 3-węglowego w fosfoenolopirogronian., Jego usunięcie zmniejszyło strumień wiązania CO2 i biomasy, co jest zgodne z wynikami eksperymentów, które hamowanie PPDK znacznie utrudnia wzrost roślin C4 . Dla porównania, te dwa enzymy nie mają wpływu na Wiązanie CO2 i biomasę w sieci C3.

skorelowane zestawy reakcyjne zidentyfikowane przez próbkowanie

istnieją pewne reakcje co-wykorzystywane w precyzyjnych współczynników stechiometrycznych i wykazują skorelowany strumień w sieci metabolicznej, który nazywa skorelowane zestawy reakcyjne., Zastosowaliśmy jednolitą metodę losowego próbkowania w celu określenia zależności między reakcjami, które mogą być dalej używane do definiowania modułów reakcji . Uproszczony model sieci C3 ma 494 reakcje, 483 metabolity i wąski zakres ograniczeń, które można podzielić na 65 modułów, a największy moduł składa się z 92 reakcji. Uproszczony model sieci C4 ma 826 reakcji, 806 metabolitów i wąski zakres ograniczeń, które można podzielić na 113 modułów, a największy moduł składa się ze 169 reakcji. Istnieje więcej skorelowanych zestawów reakcji W Sieci C4 niż C3.,

strumienie reakcji w tym samym module wykazują korelację liniową. Okazało się, że reakcje w cyklu Calvina są skorelowane zarówno w sieci C3, jak i C4, jak pokazano na rysunku 3 i 4 odpowiednio. Istnieją jednak pewne reakcje z różnych szlaków również wykazują korelację liniową w sieci C4, ale nie są one skorelowane w modelu C3., Na przykład reakcje metabolizmu cukru, biosyntezy Stybenu, poliaryny i ligniny oraz szlaków biosyntezy kumaryny i fenylopropanoidu są znacząco skorelowane w C4( pokazano na rysunku 5), ale nie ma korelacji między nimi w C3 (pokazano na rysunku 6). Wykazano, że rośliny C4 mają lepszą modułowość ze złożonym mechanizmem koordynującym reakcje i szlaki niż rośliny C3.