Rekonstruktion, Analyse und Visualisierung pflanzenbiologischer Stoffwechselprozesse

Abstract

Der Stoffwechsel höherer Pflanzen ist durch eine einzigartige Komplexität gekennzeichnet. Die mathematische Modellierung von Stoffwechselprozessen bietet neue Konzepte, um das Verhalten und die Regulation komplexer Prozesse vorherzusagen und zu verstehen. Mit dem Ziel, das Potential der mathematischen Modellierung für Forschungsansätze der Pflanzenbiologie zu nutzen, befasst sich vorliegende Arbeit mit der Anwendung optimierungsbasierter Modellierungsansätze auf pflanzenbiologische Stoffwechselsysteme. Hierzu wurde eine Modellierungspipeline zur Rekonstruktion, Analyse und Visualisierung von Stoffwechselmodellen entwickelt und diese auf organspezifische Modelle von Gerste angewandt. Auf Grundlage der entwickelten Pflanzenmodelle konnte sowohl bereits vorhandenes Wissen verifiziert, als auch neue, experimentell bestätigte Erkenntnisse gewonnen werden. Somit konnte gezeigt werden, dass die optimierungsbasierte Analyse eine sinnvolle Erweiterung der traditionellen Methodik zur Analyse pflanzenbiologischer Stoffwechselprozesse darstellt.

Plant metabolism is characterized by a unique complexity on the cellular, tissue, and organ levels. Mathematical modeling of metabolism offers new approaches to predict, understand and modify complex plant metabolic processes. The objective of this thesis was to apply optimization-based modeling approaches to plant metabolic systems, focusing on the development of a modeling pipeline for the reconstruction, analysis and visualization of metabolic models and its application to organ-specific models of barley. The application of the reconstructed plant models allowed to verify and extend current knowledge as well as to gain new, experimentally proven, insights into barley plant metabolism. Thus, it could be shown that optimization-based analysis provides a useful alternative to traditional methods of plant metabolic network analysis.