Zuckerrohr ist eine einzigartige Pflanze, weil es Kohlenhydrate in Form von Saccharose in seinem Stamm ansammelt. Die Saccharose wird extrahiert und in der Lebensmittelindustrie verwendet oder zur Herstellung von Alkohol fermentiert. Zuckerrohr ist die weltweit am meisten produzierte Nutzpflanze – mehr als 1,800 Millionen Tonnen pro Jahr.
Einige wenige Faktoren beeinflussen die Menge und Geschwindigkeit der Saccharoseansammlung, wie Umweltbedingungen, landwirtschaftliche Bewirtschaftung und Biochemie.
A neue Studie veröffentlicht in in silico Pflanzen von Forschern der Universität Stellenbosch fangen die Anhäufung von Zuckerrohr-Saccharose realistisch ein durch Verbesserung eines vorhandenes kinetisches Modell.
„Frühere Modelle des Phloemflusses haben das Siebrohr normalerweise als Zylinder angenähert, bei dem der gelöste Stoff an einem Ende geladen und am anderen entladen wird“, so der korrespondierende Autor Prof. Johann Rohwer.
Die neue Version kombinierte (1) Be- und Entladen über die gesamte Länge des Siebrohrs und (2) ein gekoppeltes Reaktionsnetzwerk, in dem Metaboliten an enzymkatalysierten Reaktionen beteiligt, zwischen Kompartimenten transportiert und/oder über große Entfernungen in einem transportiert werden konnten flüssiges Medium.
Der erste Schritt beim Erstellen des Modells bestand darin, die Geometrie zu beschreiben. Der Zuckerrohrstiel wurde in eine Anzahl endlicher Volumen unterteilt, um Knoten und Internodien einzuschließen. Auf jedem dieser Bände wurde eine Reihe von Kompartimenten definiert: Quelle/Blätter (nur an den Knoten), Phloem, Cytosol des Speicherparenchyms (Symplast) und Vakuole.
Der Saccharosetransport zwischen den Kompartimenten wurde unter Verwendung des Advektions-Diffusions-Reaktions (ADR)-Verhaltens beschrieben, das mit partiellen Differentialgleichungen (PDEs) modelliert wurde. Dies ermöglichte die Beschreibung der Molekülbewegung als Advektion (mit gelösten Stoffen, die vom Hauptstrom getragen werden, der durch einen osmotischen Druckgradienten erzeugt wird) und/oder Rundfunk (aufgrund eines Konzentrationsgradienten). Eine detaillierte kinetische Modellierung biochemischer Reaktionen beschreibt die gegenseitige Umwandlung von Metaboliten in den verschiedenen Kompartimenten.
Trotz der Einfachheit des aktualisierten Modells konnten mehrere experimentell beobachtete Merkmale des Pflanzenstoffwechsels reproduziert werden. Das Modell zeigte eine Saccharoseanreicherung in den Vakuolen von Stielparenchymzellen und konnte darüber hinaus die Hochregulierung der Photosynthese als Reaktion auf eine Änderung des Senkenbedarfs demonstrieren.
Dieser rigorose quantitative Rahmen kann die Grundlage für zukünftige Modellierung und experimentelles Design bilden.
A Begleitartikel derselben Autoren präsentiert eine Sensitivitätsanalyse des Modells.
Der Code, die Daten und Anweisungen zum Einrichten der Computerumgebung sind als ergänzendes Material verfügbar.
