Die Verbesserung der Kulturpflanzen zur Steigerung der Erträge und zur Milderung der Auswirkungen des Klimawandels ist durch unser Wissen darüber begrenzt, wie sich Genotypen auf Ganzpflanzen-Phänotypen auswirken. Der Schlüssel wird darin liegen, den Genotyp mit dem Phänotyp zu verknüpfen, nicht in abstrakten, statistischen Begriffen, sondern über messbare, molekulare Wege. Dieser Prozess ist eine Herausforderung, aber neue Rechenmodelle können uns helfen, diese Herausforderung zu meistern und neue Erkenntnisse zu liefern.

Dr. Yin Hoon Chew, derzeit Postdoctoral Research Associate an der University of Birmingham, und Kollegen erweiterten ein bestehendes Modell um Vorhersage des Biomassewachstums auf Organismusebene anhand des Genotyps basierend auf molekularen Signalwegen in einer neuen Veröffentlichung in in silico Pflanzen. Die Autoren verwendeten verschiedene metabolische und physiologische Daten, um mathematische Modelle der rhythmischen Genexpression, der Photoperiodenabhängigkeit, des Wachstums und des Stärkestoffwechsels innerhalb eines Rahmenmodells für das vegetative Wachstum von zu kombinieren und zu erweitern Arabidopsis thaliana.

Das Original Arabidopsis Framework-Modell Version 1 (FMv1) wurde entwickelt, um die zirkadianen Auswirkungen auf die Physiologie zu untersuchen. Es stellt die interagierenden, physiologischen Komponenten des vegetativen Wachstums dar Arabidopsis thaliana bis zur Blüte auf einfache, modulare Weise. Die Autoren erweiterten dieses Modell um:

• ein Lichtsignalisierungs-Untermodell,
• Stärkemobilisierung, die durch das Untermodell der zirkadianen Uhr gesteuert wird (anstelle einer festen Rate),
• Niveaus von Malat- und Fumarat-Pools im Kohlenstoff-Untermodell und
• zusätzliche RNAs, Proteine ​​und Proteinkomplexe innerhalb des circadianen Uhrwerks und in seinen Verbindungen zum Photoperiodismus.

Laut Chew „Die erste Arabidopsis Das Rahmenmodell zeigte, wie die zirkadiane Uhr die Anzahl der Blätter beeinflusst, indem sie die Blütezeit steuert, ohne dass sich dies direkt auf die Größe oder Masse der Pflanze auswirkt. Tatsächlich steuert die Uhr viele Prozesse im Zusammenhang mit dem Pflanzenstoffwechsel. Wir erwarteten, dass ein falsches Timing dieser täglichen Prozesse nicht nur das Entwicklungstiming, sondern auch die Biomasse der Pflanze beeinflussen würde. Es war nicht klar, welcher der uhrgesteuerten Prozesse die meisten Auswirkungen auf die Biomasse haben würde, und das ist eine Frage, die die Modellierung beantworten kann.“

The new Arabidopsis Framework Model Version 2 (FMv2) aktualisierte die simulierte Aufteilung von Kohlenstoff aus der Photosynthese am Tag in die vorübergehende Speicherung als Stärke in Blattzellen und die Verwendung dieser Speicher, um nachts Zucker bereitzustellen. Beide Modellvarianten variieren je nach Photoperiode den Anteil des gespeicherten Kohlenstoffs. Der „Wachstum zuerst“-Prozess im FMv1 passte nicht neuere Beweise, daher hat FMv2 eine vorsichtigere „Speicher zuerst“-Strategie, die zu den Stärkewerten der Pflanzen am Ende des Tages über die Photoperioden hinweg passt. Die rhythmische Ausgabe des Uhr-Genschaltkreises begrenzt, wie schnell die Stärkespeicher verwendet werden können, um einen Hunger zu vermeiden, bevor die Photosynthese im Morgengrauen wieder aufgenommen wird. Die Einführung dieser Kontrolle in FMv2 entsprach den Stärkewerten am Ende der Nacht.

FMv2 wurde dann getestet, um zu sehen, ob es den beobachteten Rückgang der Biomasse erklären könnte prr7prr9 Langfristige Mutante, die eine 28-Stunden-Uhr hat. Das Modell sagte die höheren Stärkeniveaus, die in beobachtet wurden, korrekt voraus prr7prr9 Mutanten aufgrund ihres verzögerten zirkadianen Timings. Durch die Simulation des Ganzpflanzenkontextes des Rahmenmodells konnten die Autoren testen, ob diese Stoffwechseländerung ausreicht, um die Biomasse der Mutanten im Vergleich zu Wildtyppflanzen zu reduzieren.

Vorherige Arbeit zeigten, dass die Uhr die Biomasse beeinflusste, indem sie die Verwendung von gespeicherter Stärke in der Nacht veränderte. Eine milde Stärke verwendende Mutante, lsf1, zeigte eine reduzierte Pflanzenbiomasse in Übereinstimmung mit der FMv2-Vorhersage. Die FMv2-Ergebnisse zeigten, dass ein falsch getimter Stärkeverbrauch auch für den größten Teil des Biomasserückgangs bei den Uhrenmutanten verantwortlich sein könnte, deuteten aber darauf hin, dass auch ein anderer uhrenregulierter Prozess beteiligt war. Die Metabolitendaten der Autoren zeigten, dass die Mobilisierung von Malat und Fumarat in den Uhrenmutanten fehlreguliert war. Bei der Modellierung von sowohl Stärke als auch diesen entfielen alle Biomassedefekte auf Sekundärspeicher. Interessanterweise wurden keine Mängel im Chlorophyllgehalt und in der Photosyntheserate beobachtet prr7prr9 Pflanzen, obwohl sie war zuvor vorgeschlagen worden um das Wachstum anderer Uhrenmutanten in Arabidopsis zu beeinflussen.

Chew schlussfolgert: „Der Erfolg von FMv2 zeigt, dass wir subtile Effekte auf der Ebene der gesamten Pflanze verstehen können, in diesem Fall nur durch die Änderung des Timings der Genexpression. Mit „verstehen“ meinen wir „erklären und vorhersagen“. Wir laden Arabidopsis-Forscher ein, die von uns geteilten offenen Daten zu ergänzen und dieses Modell zu erweitern, um ihre Fachgebiete zu untersuchen. Nicht alle Details dieses Modells lassen sich auf Nutzpflanzenarten übertragen, aber es erweitert die 'Proofs of Principle', um die Verbesserung von Nutzpflanzen auf molekularer Ebene zu informieren.“

DER ARTIKEL::

Yin Hoon Chew, Daniel D. Seaton, Virginie Mengin, Anna Flis, Sam T. Mugford, Gavin M. George, Michael Moulin, Alastair Hume, Samuel C. Zeeman, Teresa B. Fitzpatrick, Alison M. Smith, Mark Stitt, Andrew J. Millar, The Arabidopsis Framework Modellversion 2 sagt die Auswirkungen einer Fehlregulation des zirkadianen Uhrgens auf Organismusebene voraus. in silico Plants, Band 4, Heft 2, 2022, diac010, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac010

Dieser Artikel ist Teil der in silico Werk Sonderausgabe Integrative und Multiskalenmodellierung.

Das Rahmenmodell Version 2 ist frei verfügbar unter: https://fairdomhub.org/models/248. Die zum Erstellen und Testen des Modells verwendeten Daten werden geteilt unter: https://fairdomhub.org/investigations/123. Darüber hinaus ist eine einfachere Online-Version von FMv2 für Nicht-Experten verfügbar unter: http://turnip.bio.ed.ac.uk/fm/