Metabolic modeling identifies determinants of thermal growth responses in Arabidopsis thaliana

IF 8.1 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES New Phytologist Pub Date : 2025-01-24 DOI:10.1111/nph.20420

Philipp Wendering, Gregory M. Andreou, Roosa A. E. Laitinen, Zoran Nikoloski

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代谢模型确定了拟南芥热生长反应的决定因素

全球粮食安全取决于农作物产量，而这些产量正受到更加波动和上升的温度的严重威胁——温度是未来气候情景的一个标志(Wheeler &；von Braun, 2013)。环境温度影响植物生命周期的各个方面，从发育、生长到繁殖(Casal &；Balasubramanian, 2019;朱等人，2022)。植物对温度变化的反应在代谢水平上最直接地被观察到，其次是基因表达的变化以重建体内平衡(Casal &；Balasubramanian, 2019)。考虑到代谢与植物生长密切相关(Meyer et al., 2007；Pyl et al., 2012)，代谢变化可以促进植物以最小的生长损失快速适应温度变化。虽然我们知道代谢灵活性是通过改变植物代谢网络中的营养流动来实现的，但我们对(1)哪些酶限制了植物在温度下的代谢变化知之甚少？(2)这些限制是如何从代谢网络运作的温度依赖性生化约束中产生的？一种能够准确预测影响植物温度反应的遗传和分子决定因素的数学模型的可用性将解决这两个问题。一些代谢模型已经考虑了温度对直接影响植物生长的过程的影响(Clark et al., 2020；Wendering,Nikoloski, 2023)。例如，C3光合作用的经典数学模型（Farquhar et al., 1980）——光自养生长不可或缺的代谢途径——已被扩展到预测温度变化对二氧化碳净同化的影响（Scafaro et al., 2023）。然而，这项和其他建模工作解决了代谢途径对温度变化的反应(Kannan等人，2019；Herrmann等人，2020；井上,Noguchi, 2021)只考虑一些集中的代谢反应。因此，这些模型不能用于识别调节植物热反应的所有基因靶点，从而限制了它们预测缓解策略的能力。此外，由于对一种选定的代谢途径的关注有限，它们不能用于预测植物的生长反应。相比之下，基因组尺度的代谢模型，代表了系统中所有已知的代谢反应，已经成功地用于预测生长相关的表型和基因工程策略，使用基于约束的建模框架(Herrmann等人，2019；Tong et al., 2023；Wendering,Nikoloski, 2023)。这些模型允许设计合理的工程策略来调节代谢表型，包括生长(k ken &；Nikoloski, 2019)。在大肠杆菌（Chang et al., 2013）和酿酒酵母菌（Li et al., 2021）的基因组尺度代谢模型中已经考虑了温度效应；然而，这些研究要么集中在相对较窄的温度范围内（Chang et al., 2013），要么需要额外的参数调整来重现超优生长温度下的生长速率（Li et al., 2021）。在此，我们提出了第一个植物代谢模型，该模型通过捕捉温度对酶性质和光合作用相关参数的影响，可以准确预测拟南芥在不同温度下的生长。由于代谢的细粒度表示，我们的模型可以正确识别影响拟南芥温度依赖性生长的基因。由于模型的酶约束公式，对生长的预测也伴随着对反应通量和酶丰度的预测。我们的贡献还促进了温度特异性生长限制代谢物和蛋白质的鉴定，指出了提高植物温度适应能力的其他方法。因此，我们的研究为未来气候情景下的工程温度适应性植物提供了新的方向。

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New Phytologist 生物-植物科学

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期刊介绍： New Phytologist is an international electronic journal published 24 times a year. It is owned by the New Phytologist Foundation, a non-profit-making charitable organization dedicated to promoting plant science. The journal publishes excellent, novel, rigorous, and timely research and scholarship in plant science and its applications. The articles cover topics in five sections: Physiology & Development, Environment, Interaction, Evolution, and Transformative Plant Biotechnology. These sections encompass intracellular processes, global environmental change, and encourage cross-disciplinary approaches. The journal recognizes the use of techniques from molecular and cell biology, functional genomics, modeling, and system-based approaches in plant science. Abstracting and Indexing Information for New Phytologist includes Academic Search, AgBiotech News & Information, Agroforestry Abstracts, Biochemistry & Biophysics Citation Index, Botanical Pesticides, CAB Abstracts®, Environment Index, Global Health, and Plant Breeding Abstracts, and others.