Topológica características de C3 e C4 metabólica redes
O metabolismo modelo de Arabidopsis AraGEM inclui 1498 únicas reações, de 1765, metabólitos, 83 inter-organela transportadores e 18 inter-celular transportadores . Para o modelo de metabolismo das plantas C4 C4gem, existem 2377 reações, 2886 metabolitos, 177 transportadores inter-organelos e 23 transportadores externos ., As propriedades topológicas dos modelos AraGEM e C4GEM foram analisadas usando pajek , onde as reações são representadas como nós e metabolitos como bordas. Alguns parâmetros topológicos importantes, como o grau médio, a centralidade entre aspas, o coeficiente de agrupamento médio e a distância, foram comparados entre estes dois modelos, como mostrado na Tabela 1.Os resultados demonstraram que o AraGEM tem uma estrutura mais densa que o C4GEM, porque a planta C3 é de célula única, enquanto a planta C4 consiste de células mesofilas e células de bainha de feixe, as conexões entre duas células não são tão próximas quanto uma célula única., Em seguida, extraímos o metabolismo primário das redes C3 E C4, incluindo o ciclo de Calvin, fotorespiração, ciclo TCA, metabolismo de nitrogênio, sacarose e metabolismo de amido, e algumas principais vias metabólicas de aminoácidos. Usando a síntese líquida, calculamos a redundância da rede metabólica primária de C3 e C4, que é 0,7175 e 0,7606 respectivamente. Significa que a rede C4 é mais redundante de modo que a planta C4 poderia ser mais robusta a mutação genética ou alterações do ambiente.,
Improved models by setting the ratio of carboxylation and oxygenation by Rubisco
Rubisco enzyme (EC: 4.1.1.,39) catalisada duas reações diferentes com CO2 e O2, respectivamente, na fotossíntese e photorespiration:
Há relação constante entre a taxa de carboxylation e oxigenação em específico a pressão parcial de CO2 e O2 no ambiente ., Portanto, é difícil simular com precisão a mudança de fluxo sob diferentes concentrações de CO2 sem restrições na taxa das duas reações por Rubisco, que é apenas a limitação de AraGEM e C4GEM. Aqui nós melhoramos os dois modelos, combinando as duas reações em uma reação de:
A relação r entre carboxylation e oxigenação para diferentes condições de concentração de CO2 na C3 e C4 modelo é mostrado na Tabela 2., O cálculo pormenorizado de r consta da secção “métodos”.
além disso, a nossa motivação foi a de comparar as diferenças entre C3 e C4 mecanismo de fotossíntese e suas respostas em diferentes ambientes, portanto, podemos definir a função objetivo como maximização da fixação de CO2 e biomassa, que é a síntese., Uma vez que em AraGEM e C4GEM anteriores, o objetivo era minimizar o uso de energia leve ao mesmo tempo em que alcançava uma taxa de crescimento especificada, precisamos redefinir algumas restrições de fluxo de acordo com o conhecimento bioquímico. Por exemplo, o vazamento de CO2 foi bloqueado da bainha do feixe para a célula mesofila com fluxo zero em C4GEM, o que não era consistente com a situação real; aqui ajustamos o limite superior desta reação para permitir o vazamento de CO2. Além disso, como o amido não é sintetizado em células mesofilas de plantas C4, os componentes de biomassa de C4GEM também foram redefinidos., Os limites inferior e superior do fluxo no ciclo TCA foram ajustados as -50 e 50, para restringir o fluxo de respiração nas mitocôndrias. O detalhe das restrições modificadas em nossos modelos melhorados pode ser obtido a partir do arquivo adicional.
the effects of knock-out enzymes on metabolic flux
Based on the improved C3 and C4 metabolic networks, we compared the optimal flux of biomass synthesis and CO2 fixation using FBA. Quando a síntese da biomassa é a função objetiva, o fluxo máximo de biomassa é de 3,661 e 4,625 mmol·gDW-1·hr-1 respectivamente nas redes C3 e C4., Da mesma forma, ao otimizar a fixação de CO2, o fluxo máximo é de 200.95 mmol·gDW-1·hr-1 na rede C3 e 387.619 mmol·gDW-1·hr-1 na rede C4. Demonstrou que a rede C4 exibia fluxos mais elevados de fixação de biomassa e CO2 do que a rede C3, O que era consistente com a tendência real. Concluímos que as duas redes metabólicas em escala de genoma poderiam explicar situações reais e ser comparadas para entender as semelhanças e diferenças das plantas C3 e C4.em seguida, avaliamos os efeitos dos knockouts enzimáticos no fluxo de fixação de CO2 e biomassa., Quando uma enzima era nocaute, suas reações correspondentes seriam eliminadas, o que resultou em mudanças no fluxo ideal de biomassa ou fixação de CO2. Os resultados objetivos da simulação foram classificados como objetivos inalterados (rácio = 1), objetivos reduzidos (rácio ∈ (0, 1)) e sem objetivo (rácio = 0). Os efeitos da eliminação de reação única no fluxo máximo de biomassa na rede C3 E C4 são mostrados na Tabela 3. Mais de 85% das reações não têm efeitos na biomassa máxima da rede C3 E C4 quando estão sendo nocauteadas, então concluímos que as duas redes têm uma robustez incrível., Quase 10% das reações resultariam em biomassa zero nas redes C3 e C4, que incluem alguns transportadores importantes. A eliminação única de reações importantes ou enzimas como a fosforibuloquinase (PRK, EC: 2.7.1.19) e reações leves pode resultar em nenhuma biomassa, o que é consistente com as características reais das plantas .,
Os efeitos de uma única reação de eliminação em C3 e C4 redes quando a função objetivo é a fixação de CO2 são mostrados na Tabela 4, que é semelhante com o Quadro 3. Mais de 96% de reações não têm influência no fluxo máximo de fixação de CO2 quando são eliminadas nas redes C3 e C4. Concluímos que mais reações não têm influência no fluxo máximo de fixação de CO2 do que a biomassa., Uma vez que a síntese da biomassa inclui muitos componentes que lidam com mais de uma reação, a sua eliminação afetará o fluxo da síntese da biomassa. Além disso, é óbvio que as plantas C4 exibem uma robustez muito melhor do que as plantas C3, uma vez que maior porcentagem de nocautes enzimáticos resulta em nenhuma alteração no fluxo objetivo e menor porcentagem resulta em fluxo zero. Além disso, encontramos todas as reações essenciais na rede C3 também são essenciais para C4, enquanto há algumas outras reações especificamente essenciais para C4., This result proved that the basic metabolism of C4 plants was similar to C3, but C4 became more complex during long period of evolution.
descobrimos que há algumas lacunas na C4GEM quando verificar a xilose caminho para as duas redes. Em AraGEM, existem duas vias para produzir xilose, de modo que o nocaute da UDP-glucose 6-desidrogenase (UDPGDH, EC:1.1.1.22) não influenciará a síntese da biomassa., No entanto, em C4GEM, apenas a UDPGDH foi responsável pela produção de xilose, a outra via alternativa não funciona devido a duas enzimas em falta, a xilose isomerase (CE: 5.3.1.5) e a xilulocinase (CE:2.7.1.17). Procuramos o banco de germoplasma de banco de dados para descobrir que genes (GeneID: 100194128, 100194385) codificação de xilose isomerase e genes (GeneID:100282641, 100382670) codificação xylulokinase. Assim, complementamos a via Xilosa em C4GEM, assim os resultados tendenciosos podem ser evitados.em seguida, investigamos os efeitos de determinadas enzimas-chave na fotossíntese e síntese de biomassa nas plantas C3 e C4., A tabela 5 ilustrou estas enzimas, suas funções e a razão do fluxo objetivo após a eliminação. “0”, a enzima eliminada que não resulta em nenhum fluxo de biomassa ou fixação de CO2, enquanto ” 1 ” significa que não há influência no fluxo máximo de biomassa ou na fixação de CO2. Knockouts of enzymes in Calvin cycle have lethal effects on both C3 and C4 networks. Por exemplo, a enzima central do ciclo de Calvin, Rubisco (EC: 4.1.1.39) catalisa a fixação de CO2 e O2., Sua eliminação resulta em fluxo zero de fixação de CO2 e biomassa, o que está de acordo com o fato de que a fotossíntese e o crescimento das plantas estão positivamente correlacionados com a atividade do Rubisco . Ao eliminar a transaldolase (TAL, EC: 2.2.1.2) na Via do fosfato de pentose e a glicolato oxidase (LOX, EC: 1.1.3.15) na Via do metabolismo do glioxilato e do dicarboxilato, a fixação de CO2 e a biomassa também reduzirão a fluxo zero nestas duas plantas . Aconitases (ce: 4.2.1.3) é uma enzima importante no ciclo TCA, seu knockout reduziu o fluxo de fixação de CO2, e completamente nenhum fluxo de biomassa em ambas as redes C3 e C4 .,
O nocaute do hosphoglycolate fosfatase (PGLP, CE: 3.1.3.18) não tem efeito sobre a fixação de CO2 e biomassa de síntese, pois catalisa a primeira reação do photorespiratory C2 ciclo . Sacarose-6 (F)-fosfato fosfohidrolase (SPP, EC: 3.1.3.24) catalisa o passo final na Via da biossíntese da sacarose ., Sua eliminação não tem influência, porque a síntese de sacarose localiza-se no citosol e não tem conexão direta com a fotossíntese. A amilase isomerase (EC: 2.4.1.18) é responsável pela síntese do amido transitório no cloroplast, que é a reação crítica para a biossíntese normal do amido armazenado, de modo que a sua eliminação tem efeito letal sobre o fluxo de biomassa para ambas as plantas C3 e C4 .nas plantas C4, fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPC, CE: 4.1.1.,31) notavelmente realiza a fixação inicial de CO2 atmosférico na fotossíntese, que catalisa a carboxilação do fosfoenolpiruvato (PEP) em uma reação que produz oxaloacetato e fosfato inorgânico . Portanto, nocaute do PEPC resultou em fluxo zero de biomassa, o que valida seu papel crucial na fotossíntese C4. Piruvato fosfato dicinase (PPDK, EC: 2.7.9.1) cataliza a conversão do composto de 3-carbono piruvato em fosfoenolpiruvato., Sua eliminação reduziu o fluxo de fixação de CO2 e biomassa, o que é consistente com o experimento resulta que a inibição da PPDK impede significativamente o crescimento da planta C4 . Em comparação, estas duas enzimas não têm efeito na fixação do CO2 e na biomassa na rede C3.
conjuntos de reação correlacionados identificados pela amostragem
Existem algumas reações co-utilizadas em razões estequiométricas precisas e exibem fluxo correlacionado na rede metabólica, que chamou conjuntos de reação correlacionados., Nós usamos o método uniforme de amostragem aleatória para determinar dependências entre reações que podem ser mais usadas para definir módulos de reações . O modelo simplificado da rede C3 tem 494 reações, 483 metabólitos e faixa estreita sobre restrições, que podem ser separados em 65 módulos e o maior módulo consiste de 92 reações. O modelo simplificado da rede C4 tem 826 reações, 806 metabólitos e faixa estreita sobre restrições, que podem ser separados em 113 módulos e o maior módulo consiste em 169 reações. Há mais conjuntos de reação correlacionados em C4 do que na rede C3.,os fluxos de reacções no mesmo módulo apresentam correlação linear. Descobrimos que as reações no ciclo de Calvin estão correlacionadas na rede C3 E C4, como ilustrado na Figura 3 e 4, respectivamente. No entanto, existem algumas reações de diferentes vias também exibem correlação linear na rede C4, mas elas não estão correlacionadas no modelo C3., Por exemplo, as reações do metabolismo do açúcar, Estibeno, biossíntese de Contarina e lignina, e as vias de biossíntese cumarina e fenilpropanóide estão significativamente correlacionadas em C4 (mostrado na Figura 5), mas não há correlação entre elas EM C3 (mostrado na Figura 6). It demonstrated that C4 plants have better modularity with complex mechanism coordinates the reactions and pathways than that of C3 plants.
Correlacionada reação conjuntos de Calvin, ou ciclo C3 rede.,
Correlated reaction sets of Calvin cycle in C4 network.
The reactions from several pathways are correlated in C4 network.,
As reações de vários percursos mesmo com o C4 não são correlacionados no C3 rede.
comparação da resposta a diferentes condições ambientais
a fixação da biomassa e do CO2 dos modelos C3 e C4 foi simulada sob intensidade luminosa diferente, como indicado nas figuras 7 e 8., O modelo C3 (Vermelho Na Figura 7) e o modelo C4 (azul na Figura 7) apresentaram uma relação linear entre a biomassa e a intensidade luminosa quando a intensidade luminosa é inferior a 1500. Então, com a intensidade da luz aumentando, a biomassa seria inalterada no modelo C4 e ainda aumentada no modelo C3. O modelo C3 (Vermelho Na Figura 8) e o modelo C4 (azul na Figura 8) também apresentaram uma relação linear entre a fixação do CO2 e a intensidade luminosa quando a intensidade luminosa é inferior a 1600. Em seguida, a fixação de CO2 estava quase mantendo-se inalterada., O aumento da fixação de biomassa e CO2 com intensidade luminosa em C4 é mais rápido do que EM C3, O que reflete o uso mais eficiente da energia solar em plantas C4 . Além disso, simulamos o fluxo de síntese de biomassa e fixação de CO2 sob diferentes concentrações de CO2, como mostrado nas figuras 9 e 10. Quanto mais concentração de CO2 aumenta, mais fluxo de biomassa e fixação de CO2, e o aumento gradualmente muda lentamente até o estado estacionário. A curva simulada foi consistente com a experiência da curva a-Ci ., Descobrimos que o aumento da fixação da biomassa e do CO2 com a concentração de CO2 em C4 é mais rápido do que EM C3, que refletem o uso mais eficiente de CO2 em plantas C4.
O efeito da intensidade de luz sobre a síntese de biomassa em C3 e C4 modelo.
O efeito da intensidade de luz sobre a fixação de CO 2 em C3 e C4 modelo.,
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.,
a Contribuição de diferentes C4 subtipos para a produção de biomassa
C4 plantas podem ser classificadas em três subtipos, de acordo com a descarboxilação modos: NADP-málico enzima (NADP-ME), NAD-málico enzima NAD (- ME) e PEP carboxykinase (PCK). Explorámos a influência de cada subtipo na síntese da biomassa e na fixação do CO2, bloqueando o fluxo de outras duas enzimas e fornecendo água e azoto suficientes. Como mostrado na Tabela 6, para cada subtipo específico, apenas a enzima correspondente tem fluxo e as outras duas enzimas têm fluxo zero., Há poucas diferenças nos três subtipos em matéria de biomassa. Em comparação, o fluxo de fixação de biomassa e CO2 são máximos no subtipo PCK. Além disso, quando todos os três subtipos são considerados ativos em um sistema de metabolismo, o subtipo PCK é superior a ser usado para a descarboxilação de CO2. Estes resultados são consistentes com as experiências de Fravolini que o desempenho fotossintético e a produção de biomassa acima do solo de B. curtipendula, (subtipo PCK) são maiores do que os tipos NADP-ME e NAD-ME ., No entanto, a fotossíntese e a biomassa de diferentes subtipos também dependem das condições ambientais, incluindo o abastecimento de água e azoto . Por exemplo, algumas espécies do tipo NADP-ME apresentam taxas mais elevadas de produção fotossintética e de biomassa com baixa disponibilidade de azoto . Portanto, para elucidar claramente a superioridade dos subtipos C4, são necessários mais projetos e análises sob combinação multi-fatorial de condições ambientais.,