[論文レビュー] Modelling Spatial Interactions in the Arbuscular Mycorrhizal Symbiosis using the Calculus of Wrapped Compartments

Cristina Calcagno, Mario Coppo+5 more|Sep 7, 2011

Cellular Automata and Applications参考文献 45被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、空間的トポロジーを明示的な幾何学的表現なしに間接的に表現するために、コンpartmentsラベルを活用する、包摂コンpartmentsの微積分（CWC）を用いたアーカイアスミコリザル共生の空間的モデリング手法を提案する。菌糸の成長、ストリゴラクトンの拡散、およびアーカイアスミコリザルの形成を、土壌および根の層においてモデル化することで、主要な生物学的ダイナミクスを捉え、低リン条件下では8〜9日目までに60％の頻度でアーカイアスミコリザルが形成されるのに対し、高リン条件下では15日目までに10％にとどまることを示した。これは、生体内観察と整合的である。

ABSTRACT

Arbuscular mycorrhiza (AM) is the most wide-spread plant-fungus symbiosis on earth. Investigating this kind of symbiosis is considered one of the most promising ways to develop methods to nurture plants in more natural manners, avoiding the complex chemical productions used nowadays to produce artificial fertilizers. In previous work we used the Calculus of Wrapped Compartments (CWC) to investigate different phases of the AM symbiosis. In this paper, we continue this line of research by modelling the colonisation of the plant root cells by the fungal hyphae spreading in the soil. This study requires the description of some spatial interaction. Although CWC has no explicit feature modelling a spatial geometry, the compartment labelling feature can be effectively exploited to define a discrete surface topology outlining the relevant sectors which determine the spatial properties of the system under consideration. Different situations and interesting spatial properties can be modelled and analysed in such a lightweight framework (which has not an explicit notion of geometry with coordinates and spatial metrics), thus exploiting the existing CWC simulation tool.

研究の動機と目的

• 空間的座標を明示しない形式を用いて、アーカイアスミコリザル共生における空間的相互作用、特に菌糸による植物根への侵入をモデル化すること。
• CWCにおけるコンpartmentsラベルが、空間的複雑性が限定的な生物学的系において、トポロジカルな空間的構造を効果的に符号化できることを示すこと。
• リンの可用性がストリゴラクトンシグナル伝達および菌糸の分岐に与える影響を模擬し、生体内ダイナミクスを反映させること。
• CWC内での連続時間マコロフ連鎖（CTMC）を用いた確率的シミュレーションを、軽量で拡張可能なフレームワーク内で可能にすること。
• 今後の幾何学的空間的特徴のCWCへの統合を促進し、より詳細なシステム生物学的モデリングの基盤を築くこと。

提案手法

• 生物学的系を原子とラベル付きコンpartmentsの多重集合としてモデル化する形式、すなわち包摂コンpartmentsの微積分（CWC）を用いる。
• 空間的領域を固定されたトポロジカル関係を持つラベル付きコンpartmentsとして表現し、座標を明示しないまま菌糸の移動や細胞への侵入をモデル化可能にする。
• 分子的相互作用（ストリゴラクトンの放出やCa2+のオシレート）を再書き換え規則でモデル化し、CTMCの意味論に基づいたレートを用いる。
• ギブスの手法に基づく正確な確率的シミュレーションを高速化するため、FastFlowフレームワークを活用したハイブリッドシミュレーションアルゴリズムを統合する。
• リンの可用性を変数入力（10、50、100 P原子）としてモデル化し、共生進行への影響を評価する。
• コンpartmentsの隣接関係とラベルに基づく規則を用いて、方向性を持つ菌糸の分岐および真菌が根組織に侵入する様子を模擬する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 包摂コンpartmentsの微積分（CWC）は、明示的な幾何的座標を用いずに、アーカイアスミコリザル共生における空間的相互作用を効果的にモデル化できるか？
• RQ2 リンの可用性は、シミュレーション環境下でアーカイアスミコリザル形成のタイミングと頻度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 CWCにおけるコンpartmentsラベルは、菌糸の成長および根への侵入に関連するトポロジカルな空間的構造をどの程度正確に表現できるか？
• RQ4 異なるリン条件下で、ストリゴラクトンの拡散および菌糸の分岐パターンは、モデル内でどのように変化するか？
• RQ5 本モデルは、高リン条件下でアーカイアスミコリザル形成が遅延するという、既知の生体内ダイナミクスを再現できるか？

主な発見

• 低リン条件（10 P原子）では、60％のシミュレーションでアーカイアスミコリザルが形成され、最初の出現はシミュレーションの8〜9日目ごろであった。
• 中リン条件（50 P原子）では、30％のシミュレーションでアーカイアスミコリザルが形成され、開始時期は9〜15日目へと遅延した。
• 高リン条件（100 P原子）では、10％のシミュレーションでのみアーカイアスミコリザルが形成され、最初の出現は9〜15日目ごろであった。
• 高リン条件下では、ストリゴラクトンの拡散および菌糸の分岐が顕著に減少し、植物シグナルに対する真菌の反応が低下していることが反映された。
• 本モデルは、リンの可用性とアーカイアスミコリザル形成頻度の逆相関関係を含め、既知の生体内ダイナミクスを効果的に再現した。
• シミュレーションフレームワークは、CWCにおけるトポロジカルなコンpartmentsラベルが、方向性を持つ菌糸の成長や根への侵入といった、共生における主要な空間的行動をモデル化するのに十分であることを示した。