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Systems Dynamic Modeling of the Stomatal Guard Cell Predicts Emergent Behaviors in Transport, Signaling, and Volume Control

警卫室 胞浆 违反直觉 系统生物学 液泡 平衡 细胞生物学 生物物理学 Guard(计算机科学) 光合作用 生物 生物系统 化学 计算机科学 植物 计算生物学 生物化学 物理 细胞质 量子力学 程序设计语言
作者
Zhong-Hua Chen,Adrian Hills,Ulrike Bätz,Anna Amtmann,Virgilio L. Lew,Michael R. Blatt
出处
期刊:Plant Physiology [Oxford University Press]
卷期号:159 (3): 1235-1251 被引量:136
标识
DOI:10.1104/pp.112.197350
摘要

Abstract The dynamics of stomatal movements and their consequences for photosynthesis and transpirational water loss have long been incorporated into mathematical models, but none have been developed from the bottom up that are widely applicable in predicting stomatal behavior at a cellular level. We previously established a systems dynamic model incorporating explicitly the wealth of biophysical and kinetic knowledge available for guard cell transport, signaling, and homeostasis. Here we describe the behavior of the model in response to experimentally documented changes in primary pump activities and malate (Mal) synthesis imposed over a diurnal cycle. We show that the model successfully recapitulates the cyclic variations in H+, K+, Cl−, and Mal concentrations in the cytosol and vacuole known for guard cells. It also yields a number of unexpected and counterintuitive outputs. Among these, we report a diurnal elevation in cytosolic-free Ca2+ concentration and an exchange of vacuolar Cl− with Mal, both of which find substantiation in the literature but had previously been suggested to require additional and complex levels of regulation. These findings highlight the true predictive power of the OnGuard model in providing a framework for systems analysis of stomatal guard cells, and they demonstrate the utility of the OnGuard software and HoTSig library in exploring fundamental problems in cellular physiology and homeostasis.
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