Modeling the growth of higher plants for life support systems : lettuce leaf metabolic model considering energy conversion and central carbon metabolism
Modélisation de la croissance des plantes supérieures pour les systèmes de support-vie : modèle métabolique de la feuille de laitue considérant la conversion d'énergie et le métabolisme central du carbone
Résumé
For long term space missions, higher plants are necessary to be included in life support systems. The Micro Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) project of European Space Agency (ESA) is based on a closed life support system where microbial and higher plant compartments support the consumer’s compartment. Plants consume the possible recycling wastes (waste water and CO2) and provide fresh food, potable water and oxygen to the crew. One of the key points for this kind of study is to maintain a system which recycles all the elements C, H, O, N, S, P, etc. That is why, the study is based on the modelling of conversion stoichiometries ; they are the results of the control parameters of the system (physical limitations of mass and energy exchanges). As a preliminary step, we have established leaf metabolic model (a sub model of the plant biochemical model) involving central carbon metabolism using metabolic techniques, elementary flux mode analysis (EFMA) and metabolic flux analysis (MFA). It is associated to an integrated approach of energetics and central metabolism. Due to data limitations, the leaf metabolic model was constructed taking the biomass composition of lettuce (Lactuca sativa) from United States Department of Agriculture (USDA) and validated with the experimental data where lettuce grown in controlled Environment Systems Research Facility (CESRF) of University of Guelph (Canada). For the first approach, the model is satisfying and promising ; it can predict the biomass production connecting the physical plant growth factors (light, CO2 and water availability, etc.) along with time course growth and biomass composition. However, our results show the lack of sufficient data ; hence, various kinds of measurements required for more accurate model predictions are proposed. The future model must be able to control and manage the plant growth for human survival knowing the fluxes from other compartments of MELiSSA loop. Further, the approach described here can be used more generically in all kinds of metabolic studies and modeling, especially for studying simultaneous and/or consecutive photosynthetic and respiratory metabolisms.
Pour des missions spatiales de longue durée, les plantes supérieures doivent faire partie des systèmes de support-vie. Le projet Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA, alternative de système de support-vie micro-écologique) de l’Agence Spatiale Européenne est basé sur un système clos de support vie qui inclut, autour d’un compartiment consommateur, des compartiments microbiens et des plantes supérieures. Les plantes consomment les déchets pouvant être recyclés (les eaux usées et du CO2) et produisent de la nourriture fraîche, de l’eau potable et de l’oxygène pour l’équipage. Un des points clé pour ce type d’étude est le maintien d’un système qui assure le recyclage de tous les éléments C, H, O, N, S, P, … C’est pourquoi la base de l’étude repose sur une modélisation des stœchiométries de conversion qui doit traduire les échanges de matière et d’énergie en fonction des limitations physiques qui sont les paramètres de contrôle du système. L’étape préliminaire a été d’établir un modèle métabolique de feuille (un sous-modèle du modèle biochimique), comprenant le métabolisme central et utilisant les techniques métaboliques d’analyse des modes élémentaires (EFMA) et d’analyse des flux métaboliques (MFA) associé à une vision intégrée de l’énergétique du métabolisme central. En l’absence de données expérimentales suffisantes, le modèle métabolique de feuille a été construit à partir de la composition de la biomasse référencée par le Département Américain de l'Agriculture (USDA) et validé avec les données expérimentales de laitues (Lactuca sativa) cultivées dans l’installation de recherche des systèmes à environnement contrôlé (CESRF) de l’Université de Guelph (Canada). Pour la première approche, le modèle est satisfaisant et prometteur ; il peut prédire la production de biomasse une fois connecté aux facteurs physiques de la croissance de plante (lumière, disponibilité en CO2 et en eau, …) au cours du temps et à la composition de la biomasse. Cependant, nos résultats souffrent d’un manque de données pour vérifier les modèles métaboliques ; ainsi, différents types de mesures pour des prédictions plus précises sont proposés. Le futur modèle doit être en mesure de contrôler la croissance de la plante pour la survie des humains, connaissant les flux provenant des autres compartiments de la boucle MELiSSA. Par ailleurs, l’approche décrite ici peut être utilisée de manière plus générale pour tous types d’études et modélisations du métabolisme, en particulier pour étudier le fonctionnement simultané et/ou consécutif des métabolismes photosynthétique et respiratoire.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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