Modele metabolizmu liści pomagają poprawić efektywność wykorzystania wody w uprawach
Jednym z rozwiązań, które może pomóc globalnemu rolnictwu sprostać wyzwaniom stawianym przez XXI wiek, jest inżynieria metaboliczna roślin uprawnych. Podstawowym elementem tego podejścia jest modelowanie metabolizmu liści. Liście są bowiem głównym miejscem, w którym zachodzi proces fotosyntezy, a zatem punktem, w którym węgiel ze środowiska jest asymilowany w celu syntezy i utrzymania elementów komórki. Rośliny wypracowały różne mechanizmy asymilacji węgla: fotosyntezę C3 i C4 oraz fotosyntezę CAM. Fotosynteza C3 jest najbardziej rozpowszechnioną formą, natomiast dwie pozostałe wykazują większą wydajność odpowiednio w warunkach wyższych temperatur oraz suszy. Obecne modele metaboliczne o dużej skali nie zapewniają matematycznego opisu procesów zachodzących na styku środowiska i liścia. Projekt Re-Leaf, realizowany przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie”, miał na celu wypełnienie tej luki w wiedzy poprzez opracowanie podejścia obliczeniowego łączącego modelowanie metaboliczne w skali genomowej ze środowiskiem poprzez wyraźne modelowanie wymiany gaz-woda. Zespół Re-Leaf zastosował opublikowany wcześniej model stechiometryczny o dużej skali do symulacji metabolizmu liści w ciągu dnia i nocy i rozszerzył go tak, by reprezentował metabolizm w 24 okresach w ciągu doby.
Odpowiedzi na podstawowe pytania
Rozdzielony w czasie model został połączony z biofizycznym modelem wymiany gazowej za pomocą wspólnego parametru strumienia CO2. „Pozwoliło nam to na modelowanie strat wody przez aparaty szparkowe w zależności od zapotrzebowania systemu metabolicznego na CO2, temperatury i wilgotności względnej”, mówi stypendystka działania „Maria Skłodowska-Curie” Nadine Töpfer. Naukowcy skonstruowali i przeanalizowali modele równowagi strumieni w wielkoskalowych (obejmujących zakres skal aż do genomu) sieci metabolicznych roślin. „W szczególności interesuje nas wykorzystanie tego podejścia do przewidywania, w jaki sposób należy zmodyfikować sieć metaboliczną liści, aby przystosować ją do wykorzystywania bardziej skutecznych trybów fotosyntezy, takich jak fotosynteza C4 i CAM”, wyjaśnia Lee Sweetlove z Uniwersytetu Oksfordzkiego. „Rozpoczynamy również proces włączania tych modeli metabolicznych w ramy modelowania całych roślin”. Te wielowarstwowe modele pozwoliły naukowcom znaleźć odpowiedzi na podstawowe pytania dotyczące działania fotosyntezy C4 i CAM. Po pierwsze, modele wymiany CO2-woda pozwoliły na powiązanie zmiennych warunków środowiskowych podczas cyklu dobowego, takich jak cykle temperatury i wilgotności, z zachowaniem modeli metabolicznych. Po drugie, rozszerzone modele dobowe zostały wykorzystane do badania strategii inżynierii metabolicznej w celu poprawy wydajności w wysokich temperaturach. Pozwoliło to na dokładniejsze poznanie kompromisu między wydajnością a efektywnością wykorzystania wody zarówno w roślinach C3, jak i CAM. Modele te dały też naukowcom możliwość przetestowania, jakie zmiany są potrzebne do ustanowienia oszczędzającej wodę fotosyntezy CAM lub podobnej do CAM w sieci metabolicznej C3.
Fascynujące odkrycie
Wykorzystując ten model do symulacji równowagi między wydajnością a oszczędnością wody, naukowcy zaobserwowali szlaki metaboliczne, które nie zostały jeszcze opisane w kontekście fotosyntezy CAM. „Niezmiernie nas ucieszyło, że nasz model przewidział alternatywne tryby przepływu metabolicznego, które obejmują enzymy i metabolity różne od znanego cyklu CAM”, mówi Töpfer. Zidentyfikowane enzymy są już obecne w roślinach C3, co sprawia, że stają się interesującym celem dla inżynierii metabolicznej, pozwalającym wzmocnić przepływ przy przez istniejące szlaki i w ten sposób tworzyć rośliny uprawne charakteryzujące się mniejszym zapotrzebowaniem na wodę. „Nasze nowatorskie podejście do modelowania znajduje zastosowanie również w modelowych procesach rozdzielonych w czasie i ograniczonych dyfuzją w modelach metabolicznych o dużej skali w innych kontekstach”, podsumowuje Töpfer.
Słowa kluczowe
Re-Leaf, CAM, fotosynteza, C3, efektywność wykorzystania wody, inżynieria metaboliczna, metabolizm liści, C4, fotosynteza CAM
