title: A dynamic flux balance analysis (dFBA) model for a leguminous plant-rhizobia genome-scale reconstruction
Creators: name: Böhler, Lino
Publisher: name: :none
Year: 2025

description: In der vorliegenden Arbeit wurde ein dynamic Flux Balance Analysis (dFBA) Modell implementiert, basierend auf dem von diCenzo et al. (2020) publizierten ViNE-Modell. Dieses Model ist eine genomweite metabolische Rekonstruktion von Medicago truncatula (Klee) und Sinorhizobium meliloti (Bakterium). Das Modell umfasst drei verschiedene Gewebe: Wurzel, Spross und Knöllchen. Die Knöllchen vereinen das metabolische Netzwerk, von sowohl der Pflanze als auch dem Bakterium. Die Knöllchen sind in fünf Entwicklungszonen unterteilt. Das Model besteht aus insgesamt 7297 Reaktionen (diCenzo et al., 2020). Das dFBA-Modell beinhaltet vier gewöhnliche Differenzialgleichungen (ODEs), die drei dynamisch ausbalancierten Metaboliten – N₂, NH₄ und Stärke – sowie die Biomasseproduktion des Modells beschreiben. Zudem wurde ein das Modell mit einem Tag-Nacht-Zyklus implementiert, welcher über eine anpassbarer Tageslänge verfügt. Die Parameter für die ODEs und die Beschränkungen der Aufnahme Reaktionen wurden aus der verfügbaren Literatur abgeschätzt. Zur Lösung des dFBA-Problems wurde ein direkter Ansatz verwendet (DA), der eine hierarchische Optimierungsstruktur sowie ein LP-Feasibility-Problem nutzt. Daraufhin folgend wurde eine finale Simulation über 13.000 simulierten Stunden durchgeführt. Mit Ende dieser Simulation hatte der aus der Systemumwelt verfügbare Stickstoff N₂ eine Gleichgewichtszustand erreichte. Die mittlere Wachstumsrate über die gesamte Simulation betrug 0,028 Tag⁻¹, während im Gleichgewichtszustand von N₂ eine Rate von etwa 0,012 Tag⁻¹ beobachtet werden konnte. Über den gesamten Simulationszeitraum zeigte das Model einen Stärkeanteil an der Biomasse von etwa Durchschnittlichen 2,5 % auf. Mit Ende der Simulation erreichte das Model einen Stärkeanteil von 40 % in der Gesamtbiomasse. Die in der Simulation ermittelte CO₂-Freisetzung pro fixiertem N₂ in den Stickstoff fixirenden Knöllchen des Modells lag im Bereich von 3,5 – 5 g C g⁻¹ N, mit einem von etwa 5 g C g⁻¹ N am Ende der Simulation.
description: In this work, a dynamic Flux Balance Analysis (dFBA) model was implemented based on the ViNE model published by (diCenzo et al., 2020), a genome-scale metabolic reconstruction of Medicago truncatula (clover) and Sinorhizobium meliloti (bacterium). The model comprises of three distinct tissues: root, shoot and nodules. The nodules combine both plant and bacteria metabolism and are subdivided in 5 differential zones. In total the model consists of 7297 reactions (diCenzo et al., 2020). The dFBA model includes four ODEs, modelling three dynamically balanced metabolites N₂, NH₄, and starch as well as the biomass produced by the model. The model implements a day-night cycle with an adjustable day length. The parameters for the ODEs and uptake constraints were estimated from data available in the literature. Moreover, for solving the dFBA problem, a direct approach was used, utilising a hierarchical optimisation structure and an LP feasibility problem. Thereafter, a final simulation was run spanning 13,000 simulation hours, during which environmentally available N₂ reached equilibrium by the end of the simulation. The median growth rate over the simulation was 0.028 day⁻¹, with a rate of approximately 0.012 day⁻¹ at the equilibrium level of N₂. The model exhibited a starch biomass fraction averaging about 2.5% over the simulation span, accumulating up to 40% at the end of the simulation. The yield of CO₂ evoked per N₂ fixed in mature nodules of the model, obtained within the simulation, was within the range of 3.5 - 5 g C g⁻¹ N, showing a yield of about 5 g C g⁻¹ N at the end of the simulation.