La caña de azúcar es una planta única porque acumula carbohidratos en forma de sacarosa en su tallo. La sacarosa se extrae y se utiliza en la industria alimentaria o se fermenta para producir alcohol. La caña de azúcar es el cultivo más producido a nivel mundial – más de 1,800 millones de toneladas métricas al año.
Algunos factores influyen en la cantidad y la tasa de acumulación de sacarosa, como las condiciones ambientales, el manejo agrícola y la bioquímica.
A nuevo estudio publicado en in silico Las plantas de investigadores de la Universidad de Stellenbosch capturan de manera realista la acumulación de sacarosa en la caña de azúcar mejorando un modelo cinético existente.
"Los modelos anteriores de flujo de floema generalmente se han aproximado al tubo de tamiz como un cilindro con carga de soluto en un extremo y descarga en el otro", según el autor correspondiente, el profesor Johann Rohwer.
La nueva versión combinaba (1) carga y descarga a lo largo de toda la longitud del tubo criboso y (2) una red de reacción acoplada en la que los metabolitos podían participar en reacciones catalizadas por enzimas, transportarse entre compartimentos y/o transportarse largas distancias en un medio fluido.
El primer paso en la construcción del modelo fue describir la geometría. El tallo de la caña de azúcar se dividió en un número finito de volúmenes para incluir nudos y entrenudos. En cada uno de estos volúmenes, se definieron una serie de compartimentos: fuente/hojas (solo en los nudos), floema, citosol del parénquima de almacenamiento (simplasto) y vacuola.
El transporte de sacarosa entre los compartimentos se describió utilizando el comportamiento de reacción de advección-difusión (ADR) modelado con ecuaciones diferenciales parciales (PDEs). Esto permitió que el movimiento de las moléculas se describiera como advección (con solutos transportados por el flujo a granel, que se genera por un gradiente de presión osmótica) y/o difusión (debido a un gradiente de concentración). El modelado cinético detallado de reacciones bioquímicas describe la interconversión de metabolitos en los distintos compartimentos.
A pesar de la simplicidad del modelo actualizado, se pudieron reproducir varias características observadas experimentalmente del metabolismo de las plantas. El modelo mostró la acumulación de sacarosa en las vacuolas de las células del parénquima del tallo y, además, pudo demostrar la regulación positiva de la fotosíntesis en respuesta a un cambio en la demanda del sumidero.
Este riguroso marco cuantitativo que puede formar la base para futuros modelos y diseños experimentales.
A El artículo complementario de los mismos autores presenta un análisis de sensibilidad del modelo.
El código, los datos y las instrucciones para configurar el entorno computacional están disponibles como material complementario.
