Topologische Eigenschaften von C3-und C4-metabolischen Netzwerken
Das Stoffwechselmodell von Arabidopsis AraGEM umfasst 1498 einzigartige Reaktionen, 1765 Metaboliten, 83 Interorganellentransporter und 18 interzelluläre Transporter . Für das Stoffwechselmodell von C4 und C4GEM gibt es 2377 Reaktionen, 2886 Metaboliten, 177 Interorganellentransporter und 23 externe Transporter ., Die topologischen Eigenschaften von AraGEM-und C4GEM-Modellen wurden mit Pajek analysiert, wobei Reaktionen als Knoten und Metaboliten als Kanten dargestellt werden. Einige wichtige topologische Parameter wie durchschnittlicher Grad, Betweeness-Zentralität, durchschnittlicher Clustering-Koeffizient und Abstand wurden zwischen diesen beiden Modellen verglichen, wie in Tabelle 1 gezeigt.Die Ergebnisse zeigten, dass das AraGEM eine dichtere Struktur als C4GEM hat, da die C3-Pflanze einzellig ist, während die C4-Pflanze aus Mesophyllzellen und Bündelhüllenzellen besteht, sind die Verbindungen zwischen zwei Zellen nicht so eng wie Einzelzellen., Dann extrahierten wir den Primärstoffwechsel aus C3 – und C4-Netzwerken, einschließlich Calvin-Zyklus, Fotorespiration, TCA-Zyklus, Stickstoffstoffstoffwechsel, Saccharose-und Stärkestoffwechsel und einigen wichtigen Aminosäurestoffwechselwegen. Unter Verwendung der NET-SYNTHESE berechneten wir die Redundanz des primären metabolischen Netzwerks von C3 und C4, die 0,7175 bzw. Dies bedeutet, dass das C4-Netzwerk redundanter ist, sodass die C4-Pflanze robuster gegenüber Genmutationen oder Umweltveränderungen sein kann.,
Improved models by setting the ratio of carboxylation and oxygenation by Rubisco
Rubisco enzyme (EC: 4.1.1.,39) katalysiert zwei unterschiedliche Reaktionen mit CO2-und O2 jeweils in der Photosynthese und photorespiration:
Es ist das Konstante Verhältnis zwischen der Höhe des Carboxylierung und Oxygenierung unter bestimmten Partialdruck von CO2 und O2 in der Umgebung ., Daher ist es schwierig, die Flussänderung unter unterschiedlicher CO2-Konzentration ohne Einschränkungen der Geschwindigkeit der beiden Reaktionen durch Rubisco genau zu simulieren, was nur die Begrenzung von AraGEM und C4GEM ist. Hier haben wir die beiden Modelle verbessert, indem wir die beiden Reaktionen zu einer Reaktion kombiniert haben:
Das Verhältnis r zwischen Carboxylierung und Oxygenierung bei unterschiedlicher CO2-Konzentration im C3-und C4-Modell ist in Tabelle 2 dargestellt., Die Detailberechnung von r befindet sich im Abschnitt Methoden.
Darüber hinaus war unsere Motivation, die Unterschiede zwischen C3-und C4-Photosynthesemechanismus und ihren Reaktionen unter verschiedenen Umgebungen zu vergleichen, daher haben wir die Zielfunktion als Maximierung der CO2-Fixierung und Biomassesynthese festgelegt., Da in früheren AraGEM und C4GEM das Ziel darin bestand, den Einsatz von Lichtenergie zu minimieren und gleichzeitig eine bestimmte Wachstumsrate zu erreichen, müssen wir einige Flussbeschränkungen gemäß den Kenntnissen der Biochemie zurücksetzen. Zum Beispiel wurde die CO2-Leckage von Bündelhülle zu Mesophyllzelle mit Nullfluss in C4GEM blockiert, was nicht mit der tatsächlichen Situation übereinstimmte; Hier haben wir die obere Grenze dieser Reaktion angepasst, um das Austreten von CO2 zu ermöglichen. Da Stärke nicht in Mesophyllzellen von C4-Pflanzen synthetisiert wird, wurden auch die Biomassekomponenten von C4GEM zurückgesetzt., Die unteren und oberen Grenzen des Flusses im TCA-Zyklus wurden als -50 und 50 angepasst, um den Fluss der Atmung in Mitochondrien einzuschränken. Die Details der geänderten Einschränkungen in unseren verbesserten Modellen können aus der zusätzlichen Datei abgerufen werden.
Die Auswirkungen von Knock-out-Enzymen auf den Stoffwechselfluss
Basierend auf den verbesserten Stoffwechselnetzen C3 und C4 verglichen wir den optimalen Fluss der Biomassesynthese und CO2-Fixierung mit FBA. Wenn die Biomassesynthese die objektive Funktion ist, beträgt der maximale Fluss der Biomasse in C3-und C4-Netzen 3,661 bzw. 4,625 mmol·gDW-1·hr-1., In ähnlicher Weise beträgt der maximale Fluss bei der Optimierung der CO2-Fixierung 200,95 mmol·gDW-1·hr-1 im C3-Netzwerk und 387,619 mmol·gDW-1·hr-1 im C4-Netzwerk. Es zeigte sich, dass das C4-Netzwerk sowohl höhere Biomasseflüsse als auch eine CO2-Fixierung aufwies als das C3-Netzwerk, was mit der tatsächlichen Tendenz übereinstimmte. Wir kamen zu dem Schluss, dass die beiden metabolischen Netzwerke im Genommaßstab tatsächliche Situationen erklären und verglichen werden könnten, um die Ähnlichkeiten und Unterschiede von C3-und C4-Pflanzen zu verstehen.
Als nächstes untersuchten wir die Auswirkungen von Enzym-Knockouts auf den Fluss von CO2-Fixierung und Biomasse., Wenn ein Enzym Knockout war, würden seine entsprechenden Reaktionen gelöscht, was zu Änderungen des optimalen Flusses der Biomasse oder CO2-Fixierung führte. Das Ziel, Ergebnisse aus der simulation wurden klassifiziert als unverändert objektiven (ratio = 1), verringert Ziel (Verhältnis ∈ (0, 1)) und keine objektiven (ratio = 0). Die Auswirkungen der Einzelreaktionslöschung auf den maximalen Biomassefluss im C3-und C4-Netz sind in Tabelle 3 dargestellt. Mehr als 85% Reaktionen haben keine Auswirkungen auf die maximale Biomasse des C3-und C4-Netzwerks, wenn sie ausgeschlagen werden, so dass wir zu dem Schluss kamen, dass die beiden Netzwerke eine erstaunliche Robustheit aufweisen., Fast 10% der Reaktionen würden in C3-und C4-Netzen, zu denen einige wichtige Transporter gehören, zu null Biomasse führen. Die einmalige Deletion wichtiger Reaktionen oder Enzyme wie Phosphoribulokinase (PRK, EC: 2.7.1.19) und Lichtreaktionen kann zu keiner Biomasse führen, die mit den tatsächlichen Eigenschaften von Pflanzen übereinstimmt .,
Die Auswirkungen der Löschung einzelner Reaktionen auf C3-und C4-Netzwerke, wenn die Zielfunktion CO2-Fixierung ist, sind in Tabelle 4 dargestellt, die mit Tabelle 3 ähnlich ist. Mehr als 96% Reaktionen haben keinen Einfluss auf den maximalen Fluss der CO2-Fixierung, wenn sie in C3-und C4-Netzwerken gelöscht werden. Wir kamen zu dem Schluss, dass mehr Reaktionen keinen Einfluss auf den maximalen Fluss der CO2-Fixierung haben als Biomasse., Da die Biomassesynthese viele Komponenten umfasst, die sich mit mehr als einer Reaktion befassen, beeinflusst ihre Deletion den Fluss der Biomassesynthese. Darüber hinaus ist es offensichtlich, dass C4-Pflanzen eine viel bessere Robustheit aufweisen als C3-Pflanzen, da ein höherer Prozentsatz an Enzym-Knockouts keine Änderung des objektiven Flusses und ein niedrigerer Prozentsatz zu einem Nullfluss führen. Darüber hinaus fanden wir, dass alle wesentlichen Reaktionen im C3-Netzwerk auch für C4 essentiell sind, während es einige andere Reaktionen gibt, die speziell für C4 essentiell sind., Dieses Ergebnis bewies, dass der Grundstoffwechsel von C4-Pflanzen C3 ähnlich war, C4 jedoch während langer Evolutionsperiode komplexer wurde.
Wir haben bei der Überprüfung des Xylose-Pfades in den beiden Netzwerken einige Lücken in C4GEM festgestellt. In AraGEM gibt es zwei Wege, Xylose zu produzieren, so dass der Knockout der UDP-Glucose 6-Dehydrogenase (UDPGDH, EC:1.1.1.22) keinen Einfluss auf die Biomassesynthese hat., Aber in C4GEM war nur UDPGDH für die Xylose-Produktion verantwortlich, der andere alternative Weg funktioniert nicht, weil zwei Enzyme fehlen, Xylose-Isomerase (EC: 5.3.1.5) und Xylulokinase (EC:2.7.1.17). Wir haben in der GeneBank-Datenbank nach Genen (GeneID: 100194128, 100194385) gesucht, die Xylose-Isomerase kodieren, und Genen (GeneID:100282641, 100382670), die Xylulokinase kodieren. So haben wir den Xylose-Weg in C4GEM ergänzt, so dass die voreingenommenen Ergebnisse vermieden werden können.
Als nächstes untersuchten wir die Auswirkungen bestimmter Schlüsselenzyme auf die Photosynthese und Biomassesynthese in C3-und C4-Pflanzen., Tabelle 5 veranschaulichte diese Enzyme, ihre Funktionen und das Verhältnis des objektiven Flusses nach der Deletion. „0“ bezeichnet das ausgeschlossene Enzym, das keinen Fluss von Biomasse oder CO2-Fixierung erzeugt, während “ 1 “ bedeutet, dass kein Einfluss auf den maximalen Fluss von Biomasse oder CO2-Fixierung besteht. Knockouts von Enzymen im Calvin-Zyklus haben tödliche Auswirkungen auf C3 – und C4-Netzwerke. Zum Beispiel katalysiert das zentrale Enzym des Calvin-Zyklus, Rubisco (EC: 4.1.1.39) die Fixierung von CO2 und O2., Seine Deletion führt zu einem Nullfluss von CO2-Fixierung und Biomasse, was mit der Tatsache übereinstimmt, dass Photosynthese und Pflanzenwachstum positiv mit der Rubisco-Aktivität korrelieren . Beim Löschen der Transaldolase (TAL, EC: 2.2.1.2) im Pentosephosphatweg und der Glykolatoxidase (LOX, EC: 1.1.3.15) im Glyoxylat-und Dicarboxylatstoffwechselweg reduzieren sich auch die CO2-Fixierung und die Biomasse in diesen beiden Pflanzen auf Null Fluss . Aconitasen (EC: 4.2.1.3) ist ein wichtiges Enzym im TCA-Zyklus, sein Knockout reduzierte den Fluss der CO2-Fixierung und vollständig keinen Fluss von Biomasse in C3-und C4-Netzwerken .,
Der Knockout von Hosphoglykolatphosphatase (PGLP, EC: 3.1.3.18) hat keinen Einfluss auf die CO2-Fixierung und Biomassesynthese, da er die erste Reaktion von der photorespiratorische C2-Zyklus . Saccharose-6 (F) – Phosphatphosphohydrolase (SPP, EC: 3.1.3.24) katalysiert den letzten Schritt auf dem Weg der Saccharose-Biosynthese ., Seine Deletion hat keinen Einfluss, da sich die Saccharosesynthese im Cytosol befindet und keinen direkten Zusammenhang mit der Photosynthese hat. Amylase-Isomerase (EC: 2.4.1.18) ist verantwortlich für die Synthese von transitorischer Stärke in Chloroplasten, die die kritische Reaktion für die normale Biosynthese von Speicherstärke ist, so dass ihre Deletion tödliche Auswirkungen auf den Biomassefluss sowohl für C3-als auch für C4-Pflanzen hat .
In C4-Pflanzen Phosphoenolpyruvatcarboxylase (PEPC, EC: 4.1.1.,31) führt insbesondere die anfängliche Fixierung von atmosphärischem CO2 in der Photosynthese durch, wodurch die Carboxylierung von Phosphoenolpyruvat (PEP) in einer Reaktion katalysiert wird, die Oxaloacetat und anorganisches Phosphat ergibt . Daher führte der Knockout von PEPC zu einem Nullfluss von Biomasse, was seine entscheidende Rolle bei der C4-Photosynthese bestätigt. Pyruvat-Phosphat-dikinase (PPDK, EC: 2.7.9.1) katalysiert die Umwandlung der 3-Kohlenstoff-Verbindung Pyruvat in phosphoenolpyruvat., Seine Deletion reduzierte den Fluss der CO2-Fixierung und Biomasse, was mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt, dass die Hemmung von PPDK das Wachstum von C4-Pflanzen erheblich behindert . Im Vergleich dazu haben diese beiden Enzyme keinen Einfluss auf CO2-Fixierung und Biomasse im C3-Netzwerk.
Korrelierte Reaktionssätze identifiziert durch Probenahme
Es gibt einige Reaktionen, die in präzisen stöchiometrischen Verhältnissen zusammen verwendet werden und korrelierten Fluss im metabolischen Netzwerk aufweisen, was als korrelierte Reaktionssätze bezeichnet wird., Wir haben die einheitliche Zufallsstichprobenmethode verwendet, um Abhängigkeiten zwischen Reaktionen zu bestimmen, die weiter verwendet werden können, um Reaktionsmodule zu definieren . Das vereinfachte Modell des C3-Netzwerks hat 494 Reaktionen, 483 Metaboliten und engen Bereich auf Einschränkungen, die in 65 Module getrennt werden können und das größte Modul besteht aus 92 Reaktionen. Das vereinfachte Modell des C4-Netzwerks hat 826 Reaktionen, 806 Metaboliten und engen Bereich auf Einschränkungen, die in 113 Module getrennt werden können und das größte Modul besteht aus 169 Reaktionen. Es gibt mehr korrelierte Reaktionssätze in C4 als C3-Netzwerk.,
Die Reaktionsströme im selben Modul weisen eine lineare Korrelation auf. Wir fanden heraus, dass die Reaktionen im Calvin-Zyklus sowohl im C3-als auch im C4-Netzwerk korreliert sind, wie in Abbildung 3 bzw. Allerdings gibt es einige Reaktionen von verschiedenen Wegen zeigen auch lineare Korrelation in C4-Netzwerk, aber sie sind nicht in C3-Modell korreliert., Zum Beispiel sind die Reaktionen aus dem Zuckerstoffwechsel, Stiben -, Margarine-und Lignin-Biosynthese sowie Cumarin-und Phenylpropanoid-Biosynthesewege signifikant in C4 korreliert (in Abbildung 5), aber keine Korrelation zwischen ihnen in C3 (in Abbildung 6). Es zeigte, dass C4-Pflanzen eine bessere Modularität mit komplexem Mechanismus der Reaktionen und Wege aufweisen als C3-Pflanzen.
Korrelierte Reaktionssätze des Calvin-Zyklus im C3-Netzwerk.,
Correlated reaction sets of Calvin cycle in C4 network.
The reactions from several pathways are correlated in C4 network.,
Die Reaktionen mehrerer mit C4 identischer Wege korrelieren im Netzwerk nicht.
Vergleich der Reaktion auf unterschiedliche Umgebungsbedingungen
Die Biomasse-und CO2-Fixierung von C3-und C4-Modellen wurde unter unterschiedlicher Lichtintensität simuliert, wie in Abbildung 7 und 8 gezeigt., Das C3-Modell (rot in Abbildung 7) und das C4-Modell (blau in Abbildung 7) zeigten eine lineare Beziehung zwischen Biomasse und Lichtintensität, wenn die Lichtintensität weniger als 1500 beträgt. Mit zunehmender Lichtintensität wäre die Biomasse im C4-Modell unverändert und im C3-Modell immer noch erhöht. Das C3-Modell (rot in Abbildung 8) und das C4-Modell (blau in Abbildung 8) zeigten ebenfalls eine lineare Beziehung zwischen CO2-Fixierung und Lichtintensität, wenn die Lichtintensität weniger als 1600 beträgt. Dann blieb die CO2-Fixierung nahezu unverändert., Die Zunahme sowohl der Biomasse-als auch der CO2-Fixierung mit Lichtintensität in C4 ist schneller als die in C3, was eine effizientere Nutzung der Sonnenenergie in C4-Anlagen widerspiegelt . Darüber hinaus simulierten wir den Fluss der Biomassesynthese und CO2-Fixierung unter verschiedenen CO2-Konzentrationen, wie in Abbildung 9 und 10 gezeigt. Je mehr CO2-Konzentration zunimmt, desto mehr Fluss von Biomasse und CO2-Fixierung, und der Anstieg allmählich langsam ändern, bis zu stationären Zustand. Die simulierte Kurve stimmte mit der A-Ci-Kurve überein ., Wir fanden heraus, dass der Anstieg sowohl der Biomasse als auch der CO2-Fixierung mit der CO2-Konzentration in C4 schneller ist als der in C3, was eine effizientere CO2-Nutzung in C4-Anlagen widerspiegelt.
Der Effekt der Lichtintensität auf die Biomassesynthese im C3-und C4-Modell.
Die wirkung der lichtintensität auf CO 2 fixierung in C3 und C4 modell.,
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.,
Beitrag verschiedener C4-Subtypen zur Biomasseproduktion
C4-Pflanzen können nach Decarboxylierungsmodi in drei Subtypen eingeteilt werden: NADP-Apfelenzym (NADP-ME), NAD-Apfelenzym (NAD-ME) und PEP-Carboxykinase (PCK). Wir untersuchten den Einfluss jedes Subtyps auf die Biomassesynthese und CO2-Fixierung, indem wir den Fluss der beiden anderen Enzyme blockierten und genügend Wasser und Stickstoff lieferten. Wie in Tabelle 6 gezeigt, hat für jeden spezifischen Subtyp nur das entsprechende Enzym Flussmittel und die anderen beiden Enzyme haben keinen Fluss., Bei Biomasse gibt es in den drei Subtypen kaum Unterschiede. Im Vergleich dazu sind der Fluss der Biomasse und die CO2-Fixierung im PCK-Subtyp maximal. Wenn außerdem angenommen wird, dass alle drei Subtypen in einem Stoffwechselsystem aktiv sind, ist der PCK-Subtyp für die CO2-Decarboxylierung besser geeignet. Diese Ergebnisse stimmen mit Fravolinis Experimenten überein, dass die photosynthetische Leistung und die oberirdische Biomasseproduktion von B. curtipendula (PCK-Subtyp) größer sind als die NADP-ME-und NAD-ME-Typen ., Die Photosynthese und Biomasse verschiedener Subtypen hängt jedoch auch von den Umgebungsbedingungen ab, einschließlich der Wasser-und Stickstoffversorgung . Zum Beispiel zeigen einige Arten vom NADP-ME-Typ höhere Raten der photosynthetischen und Biomasseproduktion bei geringer Stickstoffverfügbarkeit . Um die Überlegenheit von C4-Subtypen klar aufzuklären, sind daher weitere Designs und Analysen unter multifaktoriellen Umgebungsbedingungen erforderlich.,