Matematické modelování regulačních mechanismů polárního toku auxinů u rostlin

Abstract

Matematické modelování je stále častěji využíváno jako nástroj pro studium transportu rostlinných hormonů auxinů, které jsou odpovědné za řízení řady fyziologických procesů v rostlinách. Současné modely jsou však zjednodušené a nevystihují přesně strukturu reálného systému. V této práci je proto navržen způsob postupné tvorby podrobného modelu regulace transportu auxinů rostlinnými buňkami s využitím řady experimentálních dat k oddělené analýze jednotlivých transportních mechanismů (analyticko-syntetický přístup). Tato data, získaná především pomocí akumulačních experimentů a HPLC stanovení metabolismu radioaktivně značených auxinů, poskytla cenné informace o vlastnostech transportu auxinů na buněčné úrovni. Kromě odhalení neplatnosti dříve navrženého matematického modelu difuze auxinů buňkou byl prokázán značný vliv metabolismu NAA na výsledky měření i transport NAA samotný. Metabolismus NAA byl proto blíže charakterizován a na základě získaných poznatků byl navržen způsob omezení jeho vlivu pro potřeby dalšího měření. Jako ukázka aplikace zjištěných poznatků je v druhé části práce popsána konstrukce a implementace modelu toku auxinů rozhraním sousedících buněk. Z rozboru modelu a výsledků provedených simulací vyplývá potenciál tohoto modelu pro další vývoj a použití při studiu regulačních mechanismů aktivního transportu auxinů. Zvolený přístup ke studiu transportu auxinů prostřednictvím matematického modelování na buněčné úrovni prokázal jak schopnost interpretovat experimentální data, tak možnost konstrukce komplexních modelů.

Mathematical modeling is now often used as a tool to study the transport of plant hormones auxins which are responsible for regulation of many physiological processes in plants. Present models are, however, simplified and they do not represent the structure of the real system precisely. In this thesis a detailed approach to the subject of auxin transport modeling is therefore proposed suggesting use of various types of experimental data for step-wise construction of the model via separate characterization of individual auxin transport processes (analysis-synthesis approach). The experimental data, produced mainly by accumulation assays and HPLC metabolic profiling using radiolabeled auxins, provided valuable findings about the characteristics of auxin transport on single-cell level. At first, previously proposed mathematical model of auxin diffusion through a cell was invalidated and a significant effect of NAA metabolism on experimental results and NAA transport itself was proved. NAA metabolism was then closely characterized and based on obtained results a method of its elimination was proposed for the needs of future measurements. As a demonstration, some of the findings were used during construction and implementation of a mathematical model of auxin flux through a boundary of two adjacent cells. Analysis of the model and of its simulation results shows the model's potential for future development and for the study of regulatory mechanisms of active auxin transport. The suggested approach to the study of auxin transport processes by means of mathematical modeling was proved to be able to interpret experimental data on one side and to construct complex models of auxin transport on the other.