topologiska egenskaper hos C3-och C4-metaboliska nätverk
metabolismmodellen för Arabidopsis AraGEM innehåller 1498 unika reaktioner, 1765 metaboliter, 83 interorganelletransportörer och 18 intercellulära transportörer . För metabolismmodellen av C4 plants C4gem finns 2377 reaktioner, 2886 metaboliter, 177 interorganelle transportörer och 23 externa transportörer ., De topologiska egenskaperna hos AraGEM och c4gem-modeller analyserades med pajek, där reaktioner representeras som noder och metaboliter som kanter. Några viktiga topologiska parametrar såsom genomsnittlig grad, mellancentral, Genomsnittlig klustringskoefficient och avstånd jämfördes mellan dessa två modeller, såsom visas i Tabell 1.Resultaten visade att AraGEM har en tätare struktur än C4GEM, eftersom C3-växten är encellig, medan C4-växten består av mesofyllcell och buntmantelcell, är anslutningarna mellan tvåceller inte lika nära som encelliga., Sedan extraherade vi den primära metabolismen från C3 och C4-nätverk, inklusive Calvin-cykel, fotorespiration, TCA-cykel, kvävemetabolism, sackaros och stärkelsemetabolism och några stora aminosyrametabolismvägar. Med hjälp av NETTOSYNTES beräknade vi redundansen av primärt metaboliskt nätverk av C3 och C4, vilket är 0,7175 respektive 0,7606. Det betyder att C4-nätverket är mer överflödigt så att C4-växten kan vara mer robust för genmutation eller miljöförändringar.,
Improved models by setting the ratio of carboxylation and oxygenation by Rubisco
Rubisco enzyme (EC: 4.1.1.,39) katalyserade två olika reaktioner med CO2 respektive O2 i fotosyntes och photorespiration:
det finns ett konstant förhållande mellan graden av karboxylering och syresättning under specifikt partialtryck av CO2 och O2 i miljön ., Därför är det svårt att exakt simulera flödesförändringen under olika CO2-koncentrationer utan begränsningar av hastigheten för de två reaktionerna av Rubisco, vilket bara är begränsningen av AraGEM och c4gem. Här förbättrade vi de två modellerna genom att kombinera de två reaktionerna till en reaktion:
förhållandet r mellan karboxylering och syresättning under olika CO2-koncentration i C3 och C4-modellen visas i Tabell 2., Detaljberäkningen av r finns i avsnittet metoder.
dessutom var vår motivation att jämföra skillnaderna mellan C3-och C4-fotosyntesmekanismen och deras svar under olika miljöer, därför sätter vi målfunktionen som maximering av CO2-fixering och biomassa syntes., Eftersom målet i tidigare AraGEM och C4GEM var att minimera användningen av ljusenergi samtidigt som vi uppnådde en viss tillväxttakt, måste vi återställa vissa flödesbegränsningar enligt biokemikunskap. Till exempel var CO2-läckaget blockerat från buntmantel till mesofyllcell med nollflöde i c4gem, vilket inte överensstämde med den faktiska situationen.här justerade vi den övre gränsen för denna reaktion för att tillåta läckage av CO2. Dessutom, eftersom stärkelse inte syntetiseras i Mesofyllcell av C4-växter, återställdes biomassakomponenterna i c4gem också., De nedre och övre gränserna för flödet i TCA-cykeln justerades som -50 och 50, för att begränsa flödet av andning i mitokondrier. Detaljerna i modifierade begränsningar i våra förbättrade modeller kan hämtas från den extra filen.
effekterna av knock-out enzymer på metaboliskt flöde
baserat på de förbättrade C3-och C4-metaboliska näten jämförde vi det optimala flödet av biomasssyntes och CO2-fixering med hjälp av FBA. När biomasssyntes är den objektiva funktionen är det maximala flödet av biomassa 3,661 och 4,625 mmol·GDW-1·hr-1 respektive i C3-och C4-nätverk., På samma sätt, när man optimerar CO2-fixering, är det maximala flödet 200,95 mmol * gDW-1·hr-1 i C3-nätverket och 387.619 mmol·gDW-1·hr-1 i C4-nätverket. Det visade att C4-nätet uppvisade både högre flöden av biomassa och koldioxidfixering än C3-nätet, vilket överensstämde med den faktiska tendensen. Vi drog slutsatsen att de två genomskaliga metaboliska nätverken kunde förklara faktiska situationer och jämföras för att förstå likheterna och skillnaderna mellan C3 och C4-växter.
därefter utvärderade vi effekterna av enzymknackouts på flöde av CO2-fixering och biomassa., När ett enzym var knockout skulle dess motsvarande reaktioner raderas, vilket resulterade i förändringar av det optimala flödet av biomassa eller CO2-fixering. De objektiva resultaten från simuleringen klassificerades som oförändrat mål (ratio = 1), reducerat mål (ratio (0, 1)) och inget mål (ratio = 0). Effekterna av enstaka reaktionsborttagning på maximalt flöde av biomassa i C3-och C4-nätet visas i tabell 3. Mer än 85% reaktioner har inga effekter på den maximala biomassan i C3-och C4-nätet när de slås ut, så vi drog slutsatsen att de två näten har fantastisk robusthet., Nästan 10% av reaktionerna skulle resultera i noll biomassa i C3-och C4-nät, vilket inkluderar några viktiga transportörer. Den enda borttagningen av viktiga reaktioner eller enzymer som fosforibulokinas (PRK, EC: 2.7.1.19) och lätta reaktioner kan resultera i ingen biomassa, vilket överensstämmer med växternas verkliga egenskaper .,
effekterna av enstaka reaktionsborttagning på C3-och C4-nät när objektiv funktion är CO2-fixering visas i Tabell 4, vilket liknar tabell 3. Mer än 96% reaktioner påverkar inte det maximala flödet av CO2-fixering när de tas bort i C3-och C4-nät. Vi drog slutsatsen att fler reaktioner inte påverkar det maximala flödet av koldioxidfixering än biomassa., Eftersom biomasssyntesen innehåller många komponenter som hanterar mer än en reaktion, kommer deras borttagning att påverka flödet av biomasssyntes. Dessutom är det uppenbart att C4-växter uppvisar mycket bättre robusthet än C3-växter, eftersom högre procentandel av enzymknackouts resulterar ingen förändring av objektivt flöde och lägre procentandel resulterar i nollflöde. Dessutom fann vi att alla väsentliga reaktioner i C3-nätverket också är nödvändiga för C4, medan det finns några andra reaktioner som är särskilt viktiga för C4., Detta resultat visade att den grundläggande metabolismen av C4-växter liknade C3, men C4 blev mer komplex under lång utvecklingsperiod.
Vi fann att det finns några luckor i C4GEM vid kontroll av xylos vägen i de två näten. I AraGEM finns det två vägar för att producera xylos, så knockout av UDP-glukos 6-dehydrogenas (UDPGDH, EC:1.1.1.22) kommer inte att påverka biomasssyntesen., Men i C4GEM var endast UDPGDH ansvarig för xylosproduktion, den andra alternativa vägen fungerar inte på grund av två saknade enzymer, xylosisomeras (EC: 5.3.1.5) och xyluokinas (EC:2.7.1.17). Vi sökte GeneBank databas för att hitta gener (GeneID: 100194128, 100194385) kodning av xylos isomerase och gener (GeneID:100282641, 100382670) kodning xylulokinase. Så vi kompletterade xylose-vägen i c4gem, så de förspända resultaten kan undvikas.
därefter undersökte vi effekterna av särskilda nyckelenzymer på fotosyntes och biomasssyntes i C3-och C4-växter., Tabell 5 illustrerade dessa enzymer, deras funktioner och förhållandet mellan objektivt flöde efter radering. 0 Det utslagna enzym som inte leder till något flöde av biomassa eller koldioxidfixering, medan ” 1 ” inte påverkar maximalt flöde av biomassa eller koldioxidfixering. Knockouts av enzymer i Calvin-cykeln har dödliga effekter på både C3 och C4 nätverk. Till exempel katalyserar det centrala enzymet i Calvin-cykeln, Rubisco (EC: 4.1.1.39) fixeringen av både CO2 och O2., Dess radering resulterar i nollflöde av CO2-fixering och biomassa, vilket överensstämmer med det faktum att fotosyntes och växttillväxt är positivt korrelerad med rubisco-aktivitet . Vid radering av transaldolas (TAL, EC: 2.2.1.2) i pentosfosfatväg och glykolatoxidas (LOX, EC: 1.1.3.15) i glyoxylat och dikarboxylat metabolismväg, kommer CO2-fixeringen och biomassan också att minska till nollflöde i dessa två växter . Aconitaser (EC: 4.2.1.3) är ett viktigt enzym i TCA-cykeln, dess knockout minskade flödet av CO2-fixering och helt inget flöde av biomassa i både C3 och C4-nät .,
knockout av hosphoglycolate fosfatas (PGLP, EG: 3.1.3.18) har ingen effekt på CO2-fixering och biomassa syntes, eftersom det catalyzes den första reaktionen från photorespiratory C2 cykel . Sackaros-6 (F) – fosfatfohydrolas (spp, EG: 3.1.3.24) katalyserar det sista steget i vägen för sackaros biosyntes ., Dess radering har ingen inverkan, eftersom sackarossyntes lokaliserar i cytosol och har ingen direkt koppling till fotosyntes. Amylas-isomeras (EC: 2.4.1.18) är ansvarig för syntesen av övergående stärkelse i kloroplast, vilket är den kritiska reaktionen för den normala biosyntesen av lagringsstärkelse, så dess radering har dödlig effekt på biomassflödet för både C3 och C4-växter .
I C4-växter, Phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC, EG: 4.1.1.,31) utför särskilt den initiala fixeringen av atmosfärisk CO2 i fotosyntes, som katalyserar karboxyleringen av fosfoenolpyruvat (PEP) i en reaktion som ger oxaloacetat och oorganiskt fosfat . Därför resulterade knockout av PEPC i nollflöde av biomassa, vilket validerar sin avgörande roll i C4-fotosyntes. Pyruvatfosfatdikinas (PPDK, EC: 2.7.9.1) katalyserar omvandlingen av 3-kolföreningen pyruvat till fosfoenolpyruvat., Dess radering minskade flödet av CO2-fixering och biomassa, vilket överensstämmer med experimentella resultat att hämning av PPDK väsentligt hindrar C4-växttillväxten . I jämförelse har dessa två enzymer ingen effekt på CO2-fixering och biomassa i C3-nätverket.
korrelerade reaktionssatser som identifieras genom provtagning
det finns vissa reaktioner som används tillsammans i exakta stökiometriska förhållanden och uppvisar korrelerat flöde i det metaboliska nätverket, som kallas korrelerade reaktionssatser., Vi använde den enhetliga slumpmässiga provtagningsmetoden för att bestämma beroenden mellan reaktioner som ytterligare kan användas för att definiera reaktionsmoduler . Den förenklade modellen av C3-nätverket har 494 reaktioner, 483 metaboliter och smalt intervall på begränsningar, som kan separeras i 65 moduler och den största modulen består av 92 reaktioner. Den förenklade modellen för C4-nätverket har 826 reaktioner, 806 metaboliter och smalt intervall på begränsningar, som kan separeras i 113 moduler och den största modulen består av 169 reaktioner. Det finns mer korrelerade reaktionssatser i C4 än C3-nätverket.,
reaktionsflussarna i samma modul uppvisar linjär korrelation. Vi fann att reaktionerna i Calvin-cykeln är korrelerade i både C3 och C4-nätverket, vilket illustreras i Figur 3 respektive 4. Det finns dock vissa reaktioner från olika vägar uppvisar också linjär korrelation i C4-nätverket, men de är inte korrelerade i C3-modellen., Till exempel är reaktionerna från sockermetabolism, Stibene, counarine och lignin biosyntes och kumarin-och fenylpropanoids biosyntesvägar signifikant korrelerade i C4 (visas i Figur 5), men ingen korrelation bland dem i C3 (visas i Figur 6). Det visade att C4-växter har bättre modularitet med komplex mekanism samordnar reaktionerna och vägarna än för C3-växter.
korrelerade reaktionssatser av Calvin-cykeln i C3-nätverket.,
Correlated reaction sets of Calvin cycle in C4 network.
The reactions from several pathways are correlated in C4 network.,
reaktionerna från flera vägar samma med C4 är inte korrelerade i C3-nätverket.
jämförelse av svar på olika miljöförhållanden
biomassa och CO2-fixering av C3-och C4-modeller simulerades under olika ljusintensitet, vilket visas i Figur 7 och 8., C3-modellen (röd i Figur 7) och C4-modellen (blå i Figur 7) presenterade linjärt samband mellan biomassa och ljusintensitet när ljusintensiteten är mindre än 1500. Sedan med ljusintensiteten ökar skulle biomassan vara oförändrad i C4-modellen och fortfarande ökad i C3-modellen. C3-modellen (röd i Figur 8) och C4-modellen (blå i Figur 8) presenterade också linjärt samband mellan CO2-fixering och ljusintensitet när ljusintensiteten är mindre än 1600. Då var CO2-fixeringen nästan oförändrad., Ökningen av både biomassa och koldioxidfixering med ljusintensitet i C4 är snabbare än i C3, vilket återspeglar en effektivare användning av solenergi i C4-anläggningar . Dessutom simulerade vi flödet av biomasssyntes och CO2-fixering under olika CO2-koncentration, vilket visas i Figur 9 och 10. Ju mer CO2-koncentrationen ökar, desto mer flöde av biomassa och CO2-fixering, och ökningen förändras gradvis långsamt tills det blir stabilt tillstånd. Den simulerade kurvan överensstämde med experiment a-ci-kurvan ., Vi fann att ökningen av både biomassa och CO2-fixering med CO2-koncentration i C4 är snabbare än i C3, vilket återspeglar effektivare användning av CO2 i C4-anläggningar.
effekten av ljusintensitet på syntesen av biomassa i C3-och C4-modellen.
effekten av ljusintensitet på CO 2-fixering i C3-och 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 från olika C4-subtyper till produktion av biomassa
C4-växter kan klassificeras till tre subtyper enligt dekarboxyleringslägen: NADP-maliskt enzym (NADP-ME), NAD-maliskt enzym (NAD-ME) och PEP-karboxykinas (PCK). Vi undersökte påverkan av varje subtyp på biomasssyntes och CO2-fixering, genom att blockera flödet av andra två enzymer och ge tillräckligt med vatten och kväve. Som visas i Tabell 6, för varje specifik subtyp, har endast motsvarande enzym flux och de andra två enzymerna nollflöde., Det finns små skillnader på biomassa i de tre undertyperna. I jämförelse är flödet av biomassa och koldioxidfixering maximalt i subtyp PCK. Dessutom, när alla de tre subtyperna antas vara aktiva i ett metabolismssystem, är PCK-subtypen överlägsen att användas för CO2-dekarboxylering. Dessa resultat överensstämmer med Fravolinis experiment att fotosyntetisk prestanda och produktion av biomassa över marken av B. curtipendula (PCK subtyp) är större än NADP-ME och NAD-ME typer ., Fotosyntesen och biomassan av olika subtyper beror emellertid också på miljöförhållanden, inklusive vatten-och kväveförsörjning . Till exempel visar vissa arter av NADP-ME-typ högre nivåer av fotosyntetisk och biomassaproduktion under låg kvävetillgång . För att tydligt klargöra C4-subtypernas överlägsenhet krävs därför ytterligare utformning och analys under flera faktoriella kombinationer av miljöförhållanden.,