作为mRNA函数的生物胁迫期间硫代葡萄糖苷生物合成建模

硫代葡萄糖苷是十字花科植物中一类重要的特化代谢物，作为抵御生物性侵袭者的防御化合物发挥作用。为响应生物胁迫，植物部分通过提高硫代葡萄糖苷生物合成途径中酶的丰度来上调硫代葡萄糖苷的生物合成。由于酶丰度的增加通常先于相应mRNA水平的升高，因此，mRNA水平的动态变化应当能够捕捉推断代谢物水平如何随时间变化所需的信息。为了检验这一假设，将从拟南芥（Arabidopsis thaliana）获得的硫代葡萄糖苷含量时间序列实验数据——植物接受空白处理或茉莉酸甲酯（MeJA）处理（作为生物胁迫的替代指标）——与同一发育阶段及处理条件下已有的mRNA丰度时间序列数据相结合。 我们提出了GEEM模型，这是一个多层次的机制性常微分方程（ODE）模型，从基因表达出发构建酶水平模型，随后结合米氏动力学代谢物模型，以模拟吲哚类硫代葡萄糖苷途径某一片段的动态变化。为了对GEEM模型加以约束，我们使用不同自由度将三个模型拟合到实验获得的新生特化代谢物数据上；具体而言，既利用具有经测试架构的梯度提升树模型来预测动力学常数，又通过文献综述补充了硫代葡萄糖苷途径中已知的米氏动力学常数。在使用序贯蒙特卡洛—近似贝叶斯计算方法将GEEM模型拟合到实验数据后，我们表明，给定mRNA水平和代谢物初始浓度，特化代谢物随时间及处理而发生的变化是可以被建模的。

硫代葡萄糖苷是十字花科植物中一类重要的特化代谢物，作为防御化合物在抵御生物性侵害者方面发挥作用。为响应生物胁迫，植物通过提高硫代葡萄糖苷生物合成途径中酶的丰度，部分上调硫代葡萄糖苷的生物合成。由于酶丰度的增加通常先于相应mRNA水平的升高，因此，mRNA水平的动态变化应当能够捕捉推断代谢物水平随时间变化所需的信息。为了检验这一假设，研究将从拟南芥中采集的硫代葡萄糖苷含量时间序列实验数据——植物接受模拟处理或茉莉酸甲酯（MeJA）处理，后者作为生物胁迫的替代指标——与现有的、处于相同发育阶段和处理条件下的mRNA丰度时间序列数据相结合。

我们提出了GEEM模型，这是一种多层级的机制性常微分方程（ODE）模型，其建模过程从基因表达出发，构建酶水平模型，随后结合米氏动力学代谢物模型，以模拟吲哚类硫代葡萄糖苷途径某一部分的动态变化。为了对GEEM模型进行约束，研究拟合了三个模型于实验获得的新生特化代谢物数据，并通过采用不同自由度来进行建模；具体而言，同时利用具有经测试架构的梯度提升树模型来预测动力学常数，并结合文献综述中已知的硫代葡萄糖苷途径米氏动力学常数对这些预测进行补充。通过使用序贯蒙特卡洛—近似贝叶斯计算方法将GEEM模型拟合到实验数据，我们表明，在给定mRNA水平和代谢物初始浓度的条件下，可以对特化代谢物随时间和处理变化的动态过程进行建模。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.05.29.728632v1?rss=1

🏷️ 硫代葡萄糖苷生物合成 拟南芥 生物胁迫响应 基因表达建模 常微分方程 近似贝叶斯计算