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A modelagem cinética detalhada da translocação e metabolismo da sacarose captura a evolução espaço-temporal do sistema de reação de difusão-advecção.


A cana-de-açúcar é uma planta única porque acumula carboidratos na forma de sacarose em seu caule. A sacarose é extraída e utilizada na indústria alimentícia ou fermentada para a produção de álcool. A cana-de-açúcar é a cultura mais produzida no mundo – mais de 1,800 milhões de toneladas métricas por ano.

Alguns fatores influenciam a quantidade e a taxa de acúmulo de sacarose, como condições ambientais, manejo agrícola e bioquímica.

A novo estudo publicado em in silico Plantas de pesquisadores da Universidade de Stellenbosch capturam realisticamente o acúmulo de sacarose na cana-de-açúcar melhorando um modelo cinético existente.

“Modelos anteriores de fluxo de floema geralmente aproximavam o tubo crivado como um cilindro com carga de soluto em uma extremidade e descarga na outra”, de acordo com o autor correspondente Prof. Johann Rohwer.

A nova versão combinava (1) carregamento e descarregamento ao longo de todo o comprimento do tubo crivado e (2) uma rede de reação acoplada onde os metabólitos poderiam estar envolvidos em reações catalisadas por enzimas, transportados entre compartimentos e/ou transportados por longas distâncias em um meio fluido.

O primeiro passo na construção do modelo foi descrever a geometria. O colmo da cana-de-açúcar foi dividido em um número de volumes finitos para incluir nós e entrenós. Em cada um desses volumes foram definidos vários compartimentos: fonte/folhas (somente nos nós), floema, citosol do parênquima de reserva (simplasto) e vacúolo.

O transporte de sacarose entre os compartimentos foi descrito usando comportamento de reação de difusão-advecção (ADR) modelado com equações diferenciais parciais (PDEs). Isso permitiu que o movimento da molécula fosse descrito como advecção (com solutos transportados pelo fluxo de massa, que é gerado por um gradiente de pressão osmótica) e/ou difusão (devido a um gradiente de concentração). A modelagem cinética detalhada de reações bioquímicas descreve a interconversão de metabólitos nos vários compartimentos.

Apesar da simplicidade do modelo atualizado, várias características do metabolismo vegetal observadas experimentalmente puderam ser reproduzidas. O modelo mostrou o acúmulo de sacarose nos vacúolos das células do parênquima do caule e, além disso, foi capaz de demonstrar a regulação positiva da fotossíntese em resposta a uma mudança na demanda do dreno.

Essa estrutura rigorosa e quantitativa pode formar a base para modelagem futura e design experimental.

A artigo complementar dos mesmos autores apresenta uma análise de sensibilidade do modelo.

O código, os dados e as instruções para a configuração do ambiente computacional estão disponíveis como material complementar.

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