Topologice ale C3 și C4 metabolice rețele
metabolismul model de Arabidopsis AraGEM include 1498 reacții unice, 1765 metaboliți, 83 inter-organelle transportatorii, și 18 inter-celulare transportatori . Pentru modelul de metabolism al plantelor C4 c4gem, există 2377 reacții, 2886 metaboliți, 177 transportori inter-organelle și 23 transportori externi ., Proprietățile topologice ale AraGEM și C4GEM modele au fost analizate folosind pajek , în cazul în care reacțiile sunt reprezentate ca noduri și metaboliții ca marginile. Unii parametri topologici importanți, cum ar fi gradul mediu, centralitatea între, coeficientul mediu de grupare și distanța, au fost comparați între aceste două modele, așa cum se arată în tabelul 1.Rezultatele au demonstrat că AraGEM are o structură mai densă decât C4GEM, pentru C3 planta este o singură celulă, în timp ce C4 este format din mesophyll mobil și pachet teaca celulelor, conexiunile între două celule nu sunt la fel de aproape ca o singura celula., Apoi am extras metabolismul primar din rețelele C3 și C4, inclusiv ciclul Calvin, fotorespirația, ciclul TCA, metabolismul azotului, metabolismul zaharozei și amidonului și unele căi majore de metabolizare a aminoacizilor. Folosind sinteza netă, am calculat redundanța rețelei metabolice primare de C3 și C4, care este de 0,7175 și respectiv 0,7606. Aceasta înseamnă că rețeaua C4 este mai redundantă, astfel încât planta C4 ar putea fi mai robustă pentru mutațiile genetice sau schimbările de mediu.,
Improved models by setting the ratio of carboxylation and oxygenation by Rubisco
Rubisco enzyme (EC: 4.1.1.,39) catalizată de două reacții diferite cu CO2 și O2, respectiv, în fotosinteză și photorespiration:
Nu este constantă, raportul dintre rata de carboxilare și oxigenarea sub specifice presiunea parțială a CO2 și O2 din mediu ., Prin urmare, este greu de a simula cu precizie schimbarea fluxului sub diferite CO2 concentrație fără constrângeri asupra ratei celor două reacții de Rubisco, care este doar limitarea AraGEM și C4GEM. Aici ne-am îmbunătățit două modele prin combinarea celor două reacții într-o singură reacție:
raportul r dintre carboxilare și oxigenarea sub diferite concentrației de CO2 în C3 și C4 model este prezentat în Tabelul 2., Calculul detaliat al r este în secțiunea Metode.
În plus, motivația noastră a fost de a compara diferențele între C3 și C4 fotosinteza mecanism și răspunsurile lor în diferite medii, prin urmare, ne-am stabilit obiectivul de a funcționa ca maximizarea CO2 repararea și sinteza biomasei., Deoarece în anii AraGEM și C4GEM, obiectivul a fost de a minimiza utilizarea de energie de lumină în timp ce atinge o anumită rată de creștere, avem nevoie pentru a reseta un flux constrângeri potrivit biochimie cunoștințe. De exemplu, CO2 scurgere a fost blocat la pachet teaca mesophyll celulă cu zero flux în C4GEM, care nu a fost în concordanță cu situația reală; aici am ajustat sus legat de această reacție pentru a permite relocarea emisiilor de CO2. În plus, deoarece amidonul nu este sintetizat în celula mezofilă a plantelor C4, componentele de biomasă ale C4GEM au fost, de asemenea, resetate., Limitele inferioare și superioare ale fluxului în ciclul TCA au fost ajustate ca -50 și 50, pentru a restricționa fluxul de respirație în mitocondrii. Detaliile constrângerilor modificate în modelele noastre îmbunătățite pot fi obținute din fișierul suplimentar.
efectele enzimelor knock-out asupra fluxului metabolic
pe baza rețelelor metabolice C3 și C4 îmbunătățite, am comparat fluxul optim de sinteză a biomasei și fixarea CO2 folosind FBA. Când sinteza biomasei este funcția obiectivă, fluxul maxim de biomasă este de 3.661 și, respectiv, 4.625 mmol·gDW-1·hr-1 în rețelele C3 și C4., În mod similar, atunci când optimizați fixarea CO2, fluxul maxim este de 200,95 mmol·gDW-1·hr-1 în rețeaua C3 și 387,619 mmol·gDW-1·hr-1 în rețeaua C4. Acesta a demonstrat că rețeaua C4 a prezentat atât fluxuri mai mari de biomasă, cât și fixarea CO2 decât rețeaua C3, ceea ce a fost în concordanță cu tendința reală. Am ajuns la concluzia că cele două rețele metabolice la scară genomului ar putea explica situațiile reale și ar putea fi comparate pentru a înțelege asemănările și diferențele dintre plantele C3 și C4.în continuare, am evaluat efectele eliminărilor enzimatice asupra fluxului de fixare a CO2 și a biomasei., Când o enzimă a fost eliminată, reacțiile corespunzătoare ar fi șterse, ceea ce a dus la modificări ale fluxului optim de biomasă sau de fixare a CO2. Rezultatele obiectivului din simulare au fost clasificate ca obiectiv nemodificat (raport = 1), Obiectiv redus (raport ∈ (0, 1)) și niciun obiectiv (raport = 0). Efectele deleției cu reacție unică asupra fluxului maxim de biomasă în rețeaua C3 și C4 sunt prezentate în tabelul 3. Mai mult de 85% reacții nu au efecte asupra biomasei maxime a rețelelor C3 și C4 atunci când sunt knock-out, așa că am ajuns la concluzia că cele două rețele au o robustețe uimitoare., Aproape 10% din reacții ar duce la biomasă zero în rețelele C3 și C4, care includ unii transportatori importanți. Single ștergerea reacții importante sau enzime, cum ar fi phosphoribulokinase (PRK, CE: 2.7.1.19) și lumina reacții pot duce la nici biomasă, care este în concordanță cu caracteristicile reale ale plantelor .,
efecte unice de reacție ștergerea de pe C3 și C4 rețele atunci când funcția obiectiv este CO2 reparații sunt prezentate în Tabelul 4, care este similar cu Tabelul 3. Mai mult de 96% din reacții nu au nicio influență asupra fluxului maxim de fixare a CO2 atunci când sunt șterse în rețelele C3 și C4. Am concluzionat că mai multe reacții nu au nicio influență asupra fluxului maxim de fixare a CO2 decât biomasa., Deoarece sinteza biomasei include mai multe componente care se ocupă cu mai mult de o reacție, ștergerea lor va afecta fluxul de sinteză a biomasei. În plus, este evident că plantele C4 prezintă o robustețe mult mai bună decât plantele C3, deoarece procentul mai mare de eliminări enzimatice nu are ca rezultat nicio modificare a fluxului obiectiv, iar procentul mai mic duce la flux zero. Mai mult, am constatat că toate reacțiile esențiale din rețeaua C3 sunt esențiale și pentru C4, în timp ce există și alte reacții esențiale în mod specific pentru C4., Acest rezultat a demonstrat că metabolismul de bază al plantelor C4 a fost similar cu C3, dar C4 a devenit mai complex în timpul perioadei lungi de evoluție.
Am descoperit că există unele lacune în C4GEM atunci când verificarea xiloză cale în cele două rețele. În AraGEM, există două căi de a produce xiloză, deci knock-out de UDP-glucoză 6-dehidrogenaza (UDPGDH, CE:1.1.1.22) nu va influența pe biomasă sinteza., Dar în C4GEM, numai UDPGDH a fost responsabil pentru xiloză producție, alte alternative cale nu funcționează din cauza a două lipsesc enzimele, xiloză izomeraza (EC: 5.3.1.5) și xylulokinase (CE:2.7.1.17). Am căutat în banca de date pentru a găsi că genele (GeneID: 100194128, 100194385) codare xiloză izomerază și gene (GeneID:100282641, 100382670) codare xylulokinase. Astfel, am completat calea xilozei în C4GEM, astfel rezultatele părtinitoare pot fi evitate.în continuare am investigat efectele anumitor enzime cheie asupra fotosintezei și sintezei biomasei în plantele C3 și C4., Tabelul 5 a ilustrat aceste enzime, funcțiile lor și raportul fluxului obiectiv după ștergere. „0” înseamnă enzima eliminată care nu produce flux de biomasă sau fixare CO2, în timp ce ” 1 ” înseamnă că nu există nicio influență asupra fluxului maxim de biomasă sau asupra fixării CO2. Knockouts de enzime în ciclul Calvin au efecte letale pe ambele rețele C3 și C4. De exemplu, enzima centrală a ciclului Calvin, Rubisco (EC: 4.1.1.39) catalizează fixarea CO2 și O2., Eliminarea sa are ca rezultat un flux zero de fixare a CO2 și Biomasă, ceea ce confirmă faptul că fotosinteza și creșterea plantelor sunt corelate pozitiv cu activitatea Rubisco . Când ștergerea transaldolase (TAL, CE: 2.2.1.2) în fosfat pentoză și glicolat de monoaminooxidază (LOX, CE: 1.1.3.15) în glioxilat și dicarboxilat metabolismul cale, CO2 repararea și biomasă, de asemenea, va reduce la zero flux în aceste două plante . Aconitazele (EC: 4.2.1.3) este o enzimă importantă în ciclul TCA, eliminarea sa a redus fluxul de fixare a CO2 și complet nici un flux de biomasă atât în rețelele C3, cât și în cele C4 .,
knock-out de hosphoglycolate fosfataza (PGLP, CE: 3.1.3.18) nu are efect asupra emisiilor de CO2 repararea și biomasă sinteza, deoarece catalizează prima reacție din photorespiratory C2 ciclu . Zaharoză-6 (F) – fosfat fosfohidrolază (SPP, EC: 3.1.3.24) catalizează etapa finală în calea biosintezei zaharozei ., Eliminarea sa nu are nici o influență, deoarece sinteza zaharozei se localizează în citosol și nu are nicio legătură directă cu fotosinteza. Amilaza izomeraza (EC: 2.4.1.18) este responsabil pentru sinteza de amidon tranzitoriu în cloroplaste, care este critică reacție normală biosinteza de stocare amidon, deci eliminarea acestora are efect letal pe biomasă flux atât pentru C3 și C4 plante .la plantele C4, Fosfoenolpiruvat carboxilaza (PEPC, ce: 4.1.1.,31) efectuează în special fixarea inițială a CO2 atmosferic în fotosinteză, care catalizează carboxilarea fosfoenolpiruvat (PEP) într-o reacție care produce oxaloacetat și fosfat anorganic . Prin urmare, knock-out de PEPC a dus la zero flux de biomasă, care validează rolul său crucial în fotosinteza C4. Piruvat fosfat dikinază (PPDK, EC: 2.7.9.1) catalizează conversia piruvatului compus 3-carbon în fosfoenolpiruvat., Eliminarea sa a redus fluxul de fixare a CO2 și Biomasă, ceea ce este în concordanță cu rezultatele experimentului că inhibarea PPDK împiedică în mod semnificativ creșterea plantelor C4 . În comparație, aceste două enzime nu au niciun efect asupra fixării CO2 și a biomasei în rețeaua C3.
seturi de reacții corelate identificate prin eșantionare
există unele reacții co-utilizate în rapoarte stoichiometrice precise și prezintă flux corelat în rețeaua metabolică, care a numit seturi de reacții corelate., Am folosit metoda uniformă de eșantionare aleatorie pentru a determina dependențele dintre reacții care pot fi utilizate în continuare pentru a defini module de reacții . Modelul simplificat al rețelei C3 are 494 de reacții, 483 de metaboliți și o gamă îngustă de constrângeri, care pot fi separate în 65 de module, iar cel mai mare modul constă din 92 de reacții. Modelul simplificat al rețelei C4 are 826 de reacții, 806 de metaboliți și o gamă îngustă de constrângeri, care pot fi separate în 113 module, iar cel mai mare modul constă în 169 de reacții. Există mai multe seturi de reacție corelate în C4 decât rețeaua C3.,fluxurile de reacții din același modul prezintă corelație liniară. Am constatat că reacțiile din ciclul Calvin sunt corelate atât în rețeaua C3, cât și în cea C4, așa cum este ilustrat în Figura 3 și, respectiv, 4. Cu toate acestea, există unele reacții din diferite căi prezintă, de asemenea, corelație liniară în rețeaua C4, dar ele nu sunt corelate în modelul C3., De exemplu, reacții din metabolismul de Zahăr, Stibene, counarine și lignină biosinteza, și Coumarine și phenylpropanoid biosinteza căi sunt semnificativ corelate în C4 (Figura 5), dar nici o corelație între ele în C3 (prezentat în Figura 6). S-a demonstrat că plantele C4 au o modularitate mai bună cu mecanisme complexe care coordonează reacțiile și căile decât cele ale plantelor C3.
Corelate reacție seturi de Calvin în ciclul C3 rețea.,
Correlated reaction sets of Calvin cycle in C4 network.
The reactions from several pathways are correlated in C4 network.,
reacții din mai multe căi același cu C4 nu sunt corelate în C3 rețea.
Comparație de răspuns la diferite condiții de mediu
biomasă și CO2 repararea C3 și C4 modele au fost simulate sub diferite intensitatea luminii, așa cum se arată în Figura 7 și 8., Modelul C3 (roșu în Figura 7) și modelul C4 (albastru în Figura 7) au prezentat relația liniară dintre biomasă și intensitatea luminii atunci când intensitatea luminii este mai mică de 1500. Apoi, cu intensitatea luminii în creștere, biomasa ar fi neschimbat în modelul C4 și încă a crescut în modelul C3. Modelul C3 (roșu în Figura 8) și modelul C4 (albastru în Figura 8) au prezentat, de asemenea, o relație liniară între fixarea CO2 și intensitatea luminii atunci când intensitatea luminii este mai mică de 1600. Apoi fixarea CO2 a rămas aproape neschimbată., Creșterea atât a biomasei, cât și a fixării CO2 cu intensitatea luminii în C4 sunt mai rapide decât cele din C3, ceea ce reflectă utilizarea mai eficientă a energiei solare în instalațiile C4 . În plus, am simulat fluxul de sinteză a biomasei și fixarea CO2 sub diferite concentrații de CO2, așa cum se arată în figurile 9 și 10. Cu cât crește concentrația de CO2, cu atât mai mult fluxul de biomasă și fixarea CO2, iar creșterea se schimbă treptat încet până la starea de echilibru. Curba simulată a fost în concordanță cu curba experimentului A-Ci ., Am constatat că creșterea atât a biomasei, cât și a fixării CO2 cu concentrația de CO2 în C4 sunt mai rapide decât cele din C3, ceea ce reflectă o utilizare mai eficientă a CO2 în instalațiile C4.
efectul de lumină de intensitate pe biomasă sinteza în C3 și C4 model.
efectul intensității luminii asupra CO 2, în C3 și 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.,
Contribuția de diferite C4 subtipuri pentru producția de biomasă
C4 plantele pot fi clasificate în trei subtipuri în funcție de decarboxilare moduri: FDAN-malic enzima (ANPH-MI), NAD-malic enzima (NAD-MĂ) și PEP carboxykinase (PCK). Am explorat influența fiecărui Subtip asupra sintezei biomasei și fixării CO2, prin blocarea fluxului altor două enzime și furnizarea unei cantități suficiente de apă și azot. După cum se arată în Tabelul 6, pentru fiecare Subtip specific, numai enzima corespunzătoare are flux, iar celelalte două enzime au flux zero., Există mici diferențe privind biomasa în cele trei subtipuri. În comparație, fluxul de biomasă și fixarea CO2 sunt maxime în subtipul PCK. Mai mult, atunci când se presupune că toate cele trei subtipuri sunt active într-un singur sistem de metabolizare, subtipul PCK este superior pentru a fi utilizat pentru decarboxilarea CO2. Aceste rezultate sunt în concordanță cu Fravolini experimente care fotosintetice de performanță și de mai sus-sol producția de biomasă de B. curtipendula, (PCK subtip) sunt mai mari decât NADP-MĂ și NAD-MI-tipuri ., Cu toate acestea, fotosinteza și biomasa diferitelor subtipuri depind, de asemenea, de condițiile de mediu, inclusiv de aprovizionarea cu apă și azot . De exemplu, unele specii de tip NADP-ME prezintă rate mai mari de producție fotosintetică și Biomasă în condiții de disponibilitate scăzută a azotului . Prin urmare, pentru a elucida în mod clar superioritatea subtipurilor C4, este necesară proiectarea și analiza ulterioară în combinație multi-factorială a condițiilor de mediu.,