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Circadian clock helps cyanobacteria manage energy in coastal and high latitude ocean.
The ISME Journal ( IF 11.0 ) Pub Date : 2019-11-04 , DOI: 10.1038/s41396-019-0547-0
Ferdi L Hellweger 1 , Maria Luísa Jabbur 2 , Carl Hirschie Johnson 2 , Erik van Sebille 3 , Hideharu Sasaki 4
Affiliation  

The circadian clock coordinates cellular functions over the diel cycle in many organisms. The molecular mechanisms of the cyanobacterial clock are well characterized, but its ecological role remains a mystery. We present an agent-based model of Synechococcus (harboring a self-sustained, bona fide circadian clock) that explicitly represents genes (e.g., kaiABC), transcripts, proteins, and metabolites. The model is calibrated to data from laboratory experiments with wild type and no-clock mutant strains, and it successfully reproduces the main observed patterns of glycogen metabolism. Comparison of wild type and no-clock mutant strains suggests a main benefit of the clock is due to energy management. For example, it inhibits glycogen synthesis early in the day when it is not needed and energy is better used for making the photosynthesis apparatus. To explore the ecological role of the clock, we integrate the model into a dynamic, three-dimensional global circulation model that includes light variability due to seasonal and diel incident radiation and vertical extinction. Model output is compared with field data, including in situ gene transcript levels. We simulate cyanobaceria with and without a circadian clock, which allows us to quantify the fitness benefit of the clock. Interestingly, the benefit is weakest in the low latitude open ocean, where Prochlorococcus (lacking a self-sustained clock) dominates. However, our attempt to experimentally validate this testable prediction failed. Our study provides insights into the role of the clock and an example for how models can be used to integrate across multiple levels of biological organization.

中文翻译:

生物钟帮助蓝藻管理沿海和高纬度海洋的能量。

在许多生物体中,生物钟在昼夜周期内协调细胞功能。蓝藻钟的分子机制已得到很好的表征,但其生态作用仍然是一个谜。我们提出了一个基于代理的 Synechococcus 模型(拥有一个自我维持的、真正的生物钟),它明确地表示基因(例如,kaiABC)、转录本、蛋白质和代谢物。该模型根据野生型和无时钟突变菌株的实验室实验数据进行了校准,并成功地再现了观察到的主要糖原代谢模式。野生型和无时钟突变菌株的比较表明时钟的主要好处是由于能量管理。例如,它会在一天的早期抑制糖原合成,当它不需要时,能量更适合用于制造光合作用装置。为了探索时钟的生态作用,我们将该模型整合到一个动态的 3D 全球环流模型中,该模型包括由于季节性和日光入射辐射和垂直消光引起的光变化。模型输出与现场数据进行比较,包括原位基因转录水平。我们在有和没有生物钟的情况下模拟蓝藻,这使我们能够量化生物钟的健康益处。有趣的是,在低纬度开阔海域,这种益处最弱,原绿球菌(缺乏自我维持的时钟)占主导地位。然而,我们试图通过实验验证这个可测试的预测失败了。我们的研究提供了对时钟作用的见解,以及如何使用模型来整合多个生物组织层次的示例。我们将该模型整合到一个动态的 3D 全球环流模型中,该模型包括由于季节性和日光入射辐射以及垂直消光引起的光变化。模型输出与现场数据进行比较,包括原位基因转录水平。我们在有和没有生物钟的情况下模拟蓝藻,这使我们能够量化生物钟的健康益处。有趣的是,在低纬度开阔海域,这种益处最弱,原绿球菌(缺乏自我维持的时钟)占主导地位。然而,我们试图通过实验验证这个可测试的预测失败了。我们的研究提供了对时钟作用的见解,以及如何使用模型来整合多个生物组织层次的示例。我们将该模型整合到一个动态的 3D 全球环流模型中,该模型包括由于季节性和日光入射辐射以及垂直消光引起的光变化。模型输出与现场数据进行比较,包括原位基因转录水平。我们在有和没有生物钟的情况下模拟蓝藻,这使我们能够量化生物钟的健康益处。有趣的是,在低纬度开阔海域,这种益处最弱,原绿球菌(缺乏自我维持的时钟)占主导地位。然而,我们试图通过实验验证这个可测试的预测失败了。我们的研究提供了对时钟作用的见解,以及如何使用模型来整合多个生物组织层次的示例。三维全球环流模型,包括由于季节性和日光入射辐射和垂直消光引起的光变化。模型输出与现场数据进行比较,包括原位基因转录水平。我们在有和没有生物钟的情况下模拟蓝藻,这使我们能够量化生物钟的健康益处。有趣的是,在低纬度开阔海域,这种益处最弱,原绿球菌(缺乏自我维持的时钟)占主导地位。然而,我们试图通过实验验证这个可测试的预测失败了。我们的研究提供了对时钟作用的见解,以及如何使用模型来整合多个生物组织层次的示例。三维全球环流模型,包括由于季节性和日光入射辐射和垂直消光引起的光变化。模型输出与现场数据进行比较,包括原位基因转录水平。我们在有和没有生物钟的情况下模拟蓝藻,这使我们能够量化生物钟的健康益处。有趣的是,在低纬度开阔海域,这种益处最弱,原绿球菌(缺乏自我维持的时钟)占主导地位。然而,我们试图通过实验验证这个可测试的预测失败了。我们的研究提供了对时钟作用的见解,以及如何使用模型来整合多个生物组织层次的示例。包括原位基因转录水平。我们在有和没有生物钟的情况下模拟蓝藻,这使我们能够量化生物钟的健康益处。有趣的是,在低纬度开阔海域,这种益处最弱,原绿球菌(缺乏自我维持的时钟)占主导地位。然而,我们试图通过实验验证这个可测试的预测失败了。我们的研究提供了对时钟作用的见解,以及如何使用模型来整合多个生物组织层次的示例。包括原位基因转录水平。我们在有和没有生物钟的情况下模拟蓝藻,这使我们能够量化生物钟的健康益处。有趣的是,在低纬度开阔海域,这种益处最弱,原绿球菌(缺乏自我维持的时钟)占主导地位。然而,我们试图通过实验验证这个可测试的预测失败了。我们的研究提供了对时钟作用的见解,以及如何使用模型来整合多个生物组织层次的示例。我们试图通过实验验证这个可测试的预测失败了。我们的研究提供了对时钟作用的见解,以及如何使用模型来整合多个生物组织层次的示例。我们试图通过实验验证这个可测试的预测失败了。我们的研究提供了对时钟作用的见解,以及如何使用模型来整合多个生物组织层次的示例。
更新日期:2020-01-17
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