Development and analysis of mathematical models to study metabolic constraints and capacities in different photosynthetic types

Abstract

Climate change and a growing human population necessitate improved crop adaptability and yield. Improving photosynthesis is one promising route to boosting plant productivity. Photosynthesis is hampered by the dual activity of its main CO2-fixing enzyme ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco). The enzyme side-reacts with O2, leading to the production of a toxic byproduct, which must be expensively recycled through the photorespiratory pathway. Rubisco’s oxygenation rate depends on the CO2 : O2 ratio and increases under high temperatures. In C3 plants, which make up 90% of the known plant species, this phenomenon can decrease photosynthetic efficiency by an estimated fourth. C4 plants have evolved a carbon-concentration mechanism that suppresses photorespiration by spatially separating initial carbon fixation and re-fixation by Rubisco. Initial carbon fixation occurs in the mesophyll cells, while decarboxylation and carbon fixation by Rubisco occurs in the bundle sheath cell and releases pyruvate or phosphoenolpyruvate which then moves back to the mesophyll cells for the next cycle. To successfully engineer C4 metabolism in C3 plants, it is important to obtain a quantitative understanding of both the energetics and distribution of metabolic fluxes of this metabolic cycle. Here, we tackle this question by analysing a large-scale metabolic model, consisting of mesophyll and bundle sheath cells connected through the exchange of cytosolic metabolites. We parameterized the model for the main C4 crop maize (Zea mays) by using biochemical and anatomical constraints derived from the literature. These constraints also enable the model to correctly predict the appearance of the C4 cycle, different C4 subtypes and decarboxylation enzyme co-activity. Accounting for the volumetric ratio between the two cell types leads to more accurate predictions of C2 photosynthesis, a triose phosphate-3-phosphoglycerate shuttle between the cell types, mesophyll-specific nitrate reduction, choice of decarboxylation enzyme, the ratio of ATP production between the cell types, cell type-specific cyclic or linear electron transport activity and biomass production. Thus, our modelling approach can guide biological engineering strategies to implement C4 photosynthesis into other plant systems to ultimately improve crop productivity.

As alterações climáticas e o crescimento da população humana tornam necessário uma melhor adaptabilidade e rendimento agrícola. Melhorar a fotossíntese é uma via promissora para aumentar a produtividade vegetal. A fotossíntese é dificultada pela dupla actividade da principal enzima fixadora de CO2, a ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase (Rubisco). A enzima reage paralelamente com O2, levando à produção de um subproduto tóxico, que é reciclado através da via fotorrespiratória. A taxa de oxigenação da Rubisco depende do rácio CO2 : O2 e aumenta com temperaturas elevadas. Nas plantas C3, que constituem 90% das espécies vegetais conhecidas, este fenómeno pode diminuir a eficiência fotossintética em um quarto. As plantas C4 desenvolveram um mecanismo de concentração de carbono que suprime a fotorrespiração separando espacialmente a fixação inicial de carbono e a refixação pela Rubisco. A fixação inicial de carbono ocorre nas células do mesofilo, enquanto a descarboxilação e a fixação de carbono pela Rubisco ocorre nas células da bainha do feixe e liberta piruvato ou fosfoenolpiruvato, que depois se desloca de volta para o mesofilo para o ciclo seguinte. Para incorporar o metabolismo C4 em plantas C3, é importante obter uma compreensão quantitativa da produção de energia e da distribuição dos fluxos metabólicos deste ciclo. Neste trabalho abordamos esta questão através da análise de um modelo metabólico em grande escala, constituído por uma célula do mesofilo e da bainha de feixe conectadas pela troca de metabolitos citosólicos. Parametrizámos o modelo com restrições bioquímicas e anatómicas de milho (Zea mays) derivadas da literatura. Estas restrições permitem ao modelo prever o ciclo e diferentes subtipos de fotossíntese C4 e co-actividade de enzimas de descarboxilação. A inclusão do volume celular leva a previsões mais precisas de componentes metabólicos tais como a fotossíntese C2, o transportador triose fosfato-3-fosfoglicerato, a redução de nitrato no mesofilo, a escolha da enzima de descarboxilação, o rácio entre a produção de ATP nas células, a actividade cíclica ou linear de transporte de electrões e a produção de biomassa. Assim, a nossa abordagem de modelação pode guiar estratégias de engenharia biológica para implementar a fotossíntese C4 noutros sistemas vegetais e melhorar a produtividade agrícola.