C4 植物的多尺度代谢建模：将非线性基因组尺度模型与发育中玉米叶片的叶片尺度代谢相连接

C4 植物（如玉米）将二氧化碳浓缩在围绕叶脉的特化隔室中，以提高二氧化碳同化的效率。二氧化碳和氧气水平与反应速率之间的非线性关系是其生理学的关键，但无法用基于约束的代谢建模标准技术来处理。我们证明，将这些关系作为反应速率的约束纳入并求解由此产生的非线性优化问题，可以产生对 C4 系统响应环境和生化扰动的现实预测。利用新的玉米代谢基因组尺度重构，我们构建了一个包含 18000 个反应的非线性约束模型，描述了发育中玉米叶片 15 个区段中的叶肉细胞和维管束鞘细胞，它们通过代谢物交换相互作用；并使用 RNA-seq 和酶活性测量数据，通过一种优化通量与表达数据之间相关性的新方法来预测代谢状态的空间变化。尽管已知此类相关性通常较弱，但此处预测的通量与数据实现了高度相关，成功捕捉了实验观察到的从碳输入组织到碳输出组织的基部到顶端的转变，并包含了非零生长速率，这与其它系统中类似方法的先前结果形成对比。我们认为，发育梯度可能特别适合从表达数据推断代谢通量。