Abteilung Pflanzen-Biotechnologie

Mathematische Modellierung

Kann man pflanzlichen Stoffwechsel am Computer simulieren?

Pflanzliche Stoffwechselwege sind häufig komplex, und Stoffflüsse sind wegen des Vorkommens von zirkularen Reaktionswegen schwer abschätzbar. Eine Alternative zur Abschätzung von Reaktionsraten durch gepulste Markierung von Metaboliten stellt die dynamische Modellierung auf der Grundlage von Systemen von  Differentialgleichungen dar. 
Dieses mathematische Verfahren berechnet kinetische Parameter von Enzymen auf der Grundlage von Änderungen in den Konzentrationen der beteiligten Metabolite. Nach einer Parameter- Identifikation auf der Basis von gemessenen Metabolitspiegeln kann dann der gesamte Umsatz in einem Stoffwechselnetzwerk simuliert werden. 

Ziel dieser Modellierungen ist es, Veränderungen im Stoffwechsel, die sich ergeben, wenn ein Enzym ausfällt oder seine Aktivität gesteigert wird, vorher sagen zu können: am Computer können so z.B. Züchtungsziele überprüft oder Mutanten erzeugt bzw. miteinander "gekreuzt" werden. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen an, ob sich die Mühe einer tatsächlichen Züchtung oder Kreuzung lohnen wird. 
Beispielsweise haben wir mittels mathematischer Modellierung untersucht,  wie sich ein Defekt in der dominierenden vakuolären Invertase - einem Enzym aus dem Zuckerstoffwechsel, das Saccharose in Glukose und Fruktose spaltet - auf die Photosyntheseleistung und auf die Versorgung der Wurzel auswirkt. Die Simulationen zeigten, dass vakuoläre Invertase eine stabilisierende Funktion für den Zuckerstoffwechsel der Blätter hat: sie nimmt an einem zirkularen Auf- und Abbau von Saccharose in der Zelle teil, der zwar energetisch aufwändig ist, aber Schwankungen in Zuckerkonzentrationen abpuffern kann.
Die Arbeiten weisen gleichzeitig darauf hin, dass die Verteilung von Metaboliten auf unterschiedliche Zellkompartimente eine wichtige Rolle für den Stoffwechsel hat. Aber die vakuolären Invertasen kommen nicht nur in den grünen Geweben vor:  in den heterotrophen Organen sorgen sie durch einen Umsatz von Saccharose dafür, dass Assimilate nachgeliefert werden. Sie sind also wichtige Regulatoren der Sink-Source-Beziehungen
Auch für die Untersuchung der Veränderungen des Stoffwechsels während der Akklimatisierung an niedrige Temperaturen hat sich die Modellierung als hilfreich erwiesen. Sie konnte zeigen, dass Populationen von Arabidopsis thaliana mit unterschiedlicher Kältetoleranz verschiedene Strategien der Anpassung des Stoffwechsels verfolgen. Aus den Ergebnissen lassen sich Konzepte für eine Optimierung pflanzlicher Kältetoleranz ableiten.

Publikationen zum Thema

  1. Brauner, K., Birami, B., Brauner, H.A., Heyer, A.G.: Diurnal periodicity of assimilate transport shapes resource allocation and whole-plant carbon balance. The Plant Journal. 94, 776–789 (2018).
  2. Nägele, T., Heyer, A.G.: Approximating subcellular organisation of carbohydrate metabolism during cold acclimation in different natural accessions of Arabidopsis thaliana. New Phytol. 198, 777--787 (2013).
  3. Nägele, T., Stutz, S., Hörmiller, I.I., Heyer, A.G.: Identification of a metabolic bottleneck for cold acclimation in Arabidopsis thaliana. Plant J. 72, 102–114 (2012).
  4. Nägele, T., Kandel, B.A., Frana, S., Meissner, M., Heyer, A.G.: A systems biology approach for the analysis of carbohydrate dynamics during acclimation to low temperature in Arabidopsis thaliana. FEBS J. 278, 506--518 (2011).
  5. Henkel, S., Nägele, T., Hörmiller, I., Sauter, T., Sawodny, O., Ederer, M., Heyer, A.G.: A systems biology approach to analyse leaf carbohydrate metabolism in Arabidopsis thaliana. EURASIP Journal on Bioinformatics and Systems Biology. 2011, 2 (2011).
  6. Nägele, T., Henkel, S., Hörmiller, I., Sauter, T., Sawodny, O., Ederer, M., Heyer, A.G.: Mathematical modeling of the central carbohydrate metabolism in Arabidopsis reveals a substantial regulatory influence of vacuolar invertase on whole plant carbon metabolism. Plant Physiol. 153, 260--272 (2010).

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