Photorespiratory 2-phosphoglycolate (2PG) metabolism is essential for photosynthesis in higher plants but thought to be superfluous in cyanobacteria because of their ability to concentrate CO(2) internally and thereby inhibit photorespiration. Here, we show that 3 routes for 2PG metabolism are present in the model cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803. In addition to the photorespiratory C2 cycle characterized in plants, this cyanobacterium also possesses the bacterial glycerate pathway and is able to completely decarboxylate glyoxylate via oxalate. A triple mutant with defects in all 3 routes of 2PG metabolism exhibited a high-CO(2)-requiring (HCR) phenotype. All these catabolic routes start with glyoxylate, which can be synthesized by 2 different forms of glycolate dehydrogenase (GlcD). Mutants defective in one or both GlcD proteins accumulated glycolate under high CO(2) level and the double mutant DeltaglcD1/DeltaglcD2 was unable to grow under low CO(2). The HCR phenotype of both the double and the triple mutant could not be attributed to a significantly reduced affinity to CO(2), such as in other cyanobacterial HCR mutants defective in the CO(2)-concentrating mechanism (CCM). These unexpected findings of an HCR phenotype in the presence of an active CCM indicate that 2PG metabolism is essential for the viability of all organisms that perform oxygenic photosynthesis, including cyanobacteria and C3 plants, at ambient CO(2) conditions. These data and phylogenetic analyses suggest cyanobacteria as the evolutionary origin not only of oxygenic photosynthesis but also of an ancient photorespiratory 2PG metabolism.

Abstract Predicting gene expression from promoter sequence requires understanding of the different signal integration points within a promoter. Sequence-specific transcription factors (TFs) binding to their cognate TF binding motifs control gene expression in eukaryotes by activating and repressing transcription. Their interplay generates complex expression patterns in reaction to environmental conditions and developmental cues. We hypothesized that signals are not only integrated by different TFs binding various positions in a promoter, but also by single TF binding motifs onto which multiple TFs can bind. Analyzing 2,190 binding motifs, we identified only 76 core TF binding motifs in plants. Twenty-one TF protein families act highly specific and bind a single conserved motif. Four TF families are classified as semi-conserved as they bind up to four motifs within a family, with divisions along phylogenetic groups. Five TF families bind diverse motifs. Expression analyses revealed high competition within TF families for the same binding motif. The results show that singular binding motifs act as signal integrators in plants where a combination of binding affinity and TF abundance likely determine the output.

Abstract Photosynthesis by which plants convert carbon dioxide to sugars using the energy of light is fundamental to life as it forms the basis of nearly all food chains. Surprisingly, our knowledge about its transcriptional regulation remains incomplete. Effort for its agricultural optimization have mostly focused on post-translational regulatory processes 1–3 but photosynthesis is regulated at the post-transcriptional 4 and the transcriptional level 5 . Stacked transcription factor mutations remain photosynthetically active 5,6 and additional transcription factors have been difficult to identify possibly due to redundancy 6 or lethality. Using a random forest decision tree-based machine learning approach for gene regulatory network calculation 7 we determined ranked candidate transcription factors and validated five out of five tested transcription factors as controlling photosynthesis in vivo . The detailed analyses of previously published and newly identified transcription factors suggest that photosynthesis is transcriptionally regulated in a partitioned, non-hierarchical, interlooped network.

ABSTRACT Manganese (Mn) is key to oxygenic photosynthesis as it catalyzes the splitting of water in photosystem II and functions as cofactor of multiple enzymes. A single ABC-type transporter, MntCAB, is so far established for the uptake of the metal under limiting conditions in cyanobacteria. It is unknown, how Mn is imported under replete conditions. We identified two proteins in the model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803, which are homologous to the unknown protein family 0016 (UPF0016) member manganese exporter (Mnx). In contrast to Mnx, which consists of six transmembrane domains, the new candidate proteins contain only three transmembrane domains. Hence, we named them hemi manganese exporter (Hmx) 1 and 2. Knock-out mutants in hmx1 and/or hmx2 showed sensitivity toward low Mn supplementation, and reduced intracellular Mn pools. Additional deletion of mntC hindered the cells to thrive unless external Mn was added and enhanced the depletion of their intracellular Mn pool. In accordance with the observed localization of Hmx1 and Hmx2 in the plasma membrane, we postulate a Mn uptake function for a heteromeric Hmx1/2 across the plasma membrane under a wide range of Mn concentrations and a supporting role for the MntCAB system under Mn-limiting conditions. On the basis of their phylogenies, we propose that Hmx1 and Hmx2 are the ancestral progenitors of eukaryote-type UPF0016 proteins with six transmembrane domains. The Mn transport function of Hmx1/2 underscores this as fundamental ancient feature of the UPF0016 family. Likely, Hmx1 and Hmx2 coevolved with the internalization of the oxygen-evolving complex.

Light as a substrate for photosynthesis may be a boon or a bane. To thrive, photosynthetic organisms must constantly respond to changing light and CO2 conditions by balancing energy harvest and consumption in a highly dynamic way. Two major safeguard measures of photoacclimation, that is photoprotection and carbon concentrating mechanism, underlie tight transcriptional control, leading to expression changes under high light and limited CO2 with different dynamics for both systems. Here, by using a consensus gene regulatory network inferred by employing a compendium of 1,869 RNA-seq datasets, we identified and validated in vivo eight candidate transcription factors (TFs) that contribute to photoacclimation in Chlamydomonas reinhardtii. Target gene analyses indicate that the TFs act individually in associated pathways but also influence each other in expression, and function as network parts with partial redundancy with respect to photoprotection. The analyses unveil that stress responses in Chlamydomonas are mediated by a complex, interconnected network of TFs rather than a hierarchical system where multiple regulators can influence each other and target gene expression and thereby mitigate the effects of loss.

Cellular levels of the essential micronutrient manganese (Mn) need to be carefully balanced within narrow boarders. In cyanobacteria, sufficient Mn supply is critical for assuring the function of the oxygen-evolving complex as central part of the photosynthetic machinery. However, Mn accumulation is fatal for the cells. The reason for the observed cytotoxicity is unclear. To understand the causality behind Mn toxicity in cyanobacteria, we investigated the impact of excess Mn on physiology and global gene expression in the model organism Synechocystis sp. PCC 6803. We compared the response of the wild type and the knock-out mutant in the manganese exporter (Mnx), Deltamnx, which is disabled in the export of surplus Mn and thus functions as model for toxic Mn overaccumulation. While growth and pigment accumulation in Deltamnx was severely impaired 24 h after addition of 10-fold Mn, the wild type was not affected and thus mounted an adequate transcriptional response. RNA-seq data analysis revealed that the Mn stress transcriptomes were partly resembling an iron limitation transcriptome. However, the expression of iron limitation signature genes isiABDC was not affected by the Mn treatment, indicating that Mn excess is not accompanied by iron limitation in Synechocystis. We suggest that the Ferric uptake regulator, Fur, gets partially mismetallated under Mn excess conditions and thus interferes with an iron-dependent transcriptional response. To encounter mismetallation and other Mn-dependent problems on protein level, the cells invest into transcripts of ribosomes, proteases, and chaperones. In case of the Deltamnx mutant the consequences of the disability to export excess Mn from the cytosol manifest in additionally impaired energy metabolism and oxidative stress transcriptomes with fatal outcome. This study emphasizes the central importance of Mn homeostasis and the transporter Mnx role in restoring and holding it.

ABSTRACT To survive and proliferate in diverse environments with varying climate and nutrient availability, plants modulate their metabolism. Achieving a balance between carbon (C) and nitrogen (N) use such that growth and defense mechanisms can be appropriately controlled is critical for plant fitness. The identification of factors that regulate C/N utilization in plants can make a significant contribution to optimization of plant health. Here we show that pyridox(am)ine 5’-phosphate oxidase (PDX3), which regulates vitamin B 6 homeostasis, influences C/N balance. The B 6 vitamer imbalance resulting from loss of PDX3 leads to over-accumulation of nitrogenous compounds. A combination of increased glutamate dehydrogenase activity, impairment in the photorespiratory cycle and inappropriate use of endogenous ammonium fuel the metabolic imbalance. Growth at elevated CO 2 levels further exacerbates the pdx3 phenotypes. Interestingly, serine supplementation rescues growth under high CO 2 likely bypassing the phosphorylated pathway of biosynthesis suggesting that this amino acid is an important commodity. We show that PDX3 function appears dispensable upon thermomorphogenesis, a condition that favors C metabolism. Furthermore, while a low ammonium to nitrate ratio likely accounts for overstimulation of salicylic acid (SA) defense responses in pdx3 lines that compromises growth, a basal level of SA protects against loss of PDX3 biochemical function. Overall, the study highlights environmental scenarios where vitamin B 6 homeostasis, as managed by the salvage pathway enzyme PDX3, is critical and provides insight into how plants reprogram their metabolism under such conditions.

The CRISPR/Cas9 system has emerged as a powerful tool for targeted genome editing in plants and beyond. Double-strand breaks induced by the Cas9 enzyme are repaired by the cell's own repair machinery either by the non-homologous end joining pathway or by homologous recombination. While the first repair mechanism results in random mutations at the double-strand break site, homologous recombination uses the genetic information from a highly homologous repair template as blueprint for repair of the break. By offering an artificial repair template, this pathway can be exploited to introduce specific changes at a site of choice in the genome. However, frequencies of double-strand break repair by homologous recombination are very low. In this study, we compared two methods that have been reported to enhance frequencies of homologous recombination in plants. The first method boosts the repair template availability through the formation of viral replicons, the second method makes use of an in planta gene targeting approach. Additionally, we comparatively applied a nickase instead of a nuclease for target strand priming. To allow easy, visual detection of homologous recombination events, we aimed at restoring trichome formation in a glabrous Arabidopsis mutant by repairing a defective glabrous1 gene. Using this efficient visual marker, we were able to regenerate plants repaired by homologous recombination at frequencies of 0.12% using the in planta gene targeting approach, while both approaches using viral replicons did not yield any trichome-bearing plants.