The mutualistic symbiosis involving Glomeromycota, a distinctive phylum of early diverging Fungi, is widely hypothesized to have promoted the evolution of land plants during the middle Paleozoic. These arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) perform vital functions in the phosphorus cycle that are fundamental to sustainable crop plant productivity. The unusual biological features of AMF have long fascinated evolutionary biologists. The coenocytic hyphae host a community of hundreds of nuclei and reproduce clonally through large multinucleated spores. It has been suggested that the AMF maintain a stable assemblage of several different genomes during the life cycle, but this genomic organization has been questioned. Here we introduce the 153-Mb haploid genome of Rhizophagus irregularis and its repertoire of 28,232 genes. The observed low level of genome polymorphism (0.43 SNP per kb) is not consistent with the occurrence of multiple, highly diverged genomes. The expansion of mating-related genes suggests the existence of cryptic sex-related processes. A comparison of gene categories confirms that R. irregularis is close to the Mucoromycotina. The AMF obligate biotrophy is not explained by genome erosion or any related loss of metabolic complexity in central metabolism, but is marked by a lack of genes encoding plant cell wall-degrading enzymes and of genes involved in toxin and thiamine synthesis. A battery of mycorrhiza-induced secreted proteins is expressed in symbiotic tissues. The present comprehensive repertoire of R. irregularis genes provides a basis for future research on symbiosis-related mechanisms in Glomeromycota.

Like many microalgae, Chlamydomonas reinhardtii forms lipid droplets rich in triacylglycerols when nutrient deprived. To begin studying the mechanisms underlying this process, nitrogen (N) deprivation was used to induce triacylglycerol accumulation and changes in developmental programs such as gametogenesis. Comparative global analysis of transcripts under induced and noninduced conditions was applied as a first approach to studying molecular changes that promote or accompany triacylglycerol accumulation in cells encountering a new nutrient environment. Towards this goal, high-throughput sequencing technology was employed to generate large numbers of expressed sequence tags of eight biologically independent libraries, four for each condition, N replete and N deprived, allowing a statistically sound comparison of expression levels under the two tested conditions. As expected, N deprivation activated a subset of control genes involved in gametogenesis while down-regulating protein biosynthesis. Genes for components of photosynthesis were also down-regulated, with the exception of the PSBS gene. N deprivation led to a marked redirection of metabolism: the primary carbon source, acetate, was no longer converted to cell building blocks by the glyoxylate cycle and gluconeogenesis but funneled directly into fatty acid biosynthesis. Additional fatty acids may be produced by membrane remodeling, a process that is suggested by the changes observed in transcript abundance of putative lipase genes. Inferences on metabolism based on transcriptional analysis are indirect, but biochemical experiments supported some of these deductions. The data provided here represent a rich source for the exploration of the mechanism of oil accumulation in microalgae.

Unicellular marine algae have promise for providing sustainable and scalable biofuel feedstocks, although no single species has emerged as a preferred organism. Moreover, adequate molecular and genetic resources prerequisite for the rational engineering of marine algal feedstocks are lacking for most candidate species. Heterokonts of the genus Nannochloropsis naturally have high cellular oil content and are already in use for industrial production of high-value lipid products. First success in applying reverse genetics by targeted gene replacement makes Nannochloropsis oceanica an attractive model to investigate the cell and molecular biology and biochemistry of this fascinating organism group. Here we present the assembly of the 28.7 Mb genome of N. oceanica CCMP1779. RNA sequencing data from nitrogen-replete and nitrogen-depleted growth conditions support a total of 11,973 genes, of which in addition to automatic annotation some were manually inspected to predict the biochemical repertoire for this organism. Among others, more than 100 genes putatively related to lipid metabolism, 114 predicted transcription factors, and 109 transcriptional regulators were annotated. Comparison of the N. oceanica CCMP1779 gene repertoire with the recently published N. gaditana genome identified 2,649 genes likely specific to N. oceanica CCMP1779. Many of these N. oceanica-specific genes have putative orthologs in other species or are supported by transcriptional evidence. However, because similarity-based annotations are limited, functions of most of these species-specific genes remain unknown. Aside from the genome sequence and its analysis, protocols for the transformation of N. oceanica CCMP1779 are provided. The availability of genomic and transcriptomic data for Nannochloropsis oceanica CCMP1779, along with efficient transformation protocols, provides a blueprint for future detailed gene functional analysis and genetic engineering of Nannochloropsis species by a growing academic community focused on this genus.

• The arbuscular mycorrhizal symbiosis is arguably the most ecologically important eukaryotic symbiosis, yet it is poorly understood at the molecular level. To provide novel insights into the molecular basis of symbiosis-associated traits, we report the first genome-wide analysis of the transcriptome from Glomus intraradices DAOM 197198. • We generated a set of 25,906 nonredundant virtual transcripts (NRVTs) transcribed in germinated spores, extraradical mycelium and symbiotic roots using Sanger and 454 sequencing. NRVTs were used to construct an oligoarray for investigating gene expression. • We identified transcripts coding for the meiotic recombination machinery, as well as meiosis-specific proteins, suggesting that the lack of a known sexual cycle in G. intraradices is not a result of major deletions of genes essential for sexual reproduction and meiosis. Induced expression of genes encoding membrane transporters and small secreted proteins in intraradical mycelium, together with the lack of expression of hydrolytic enzymes acting on plant cell wall polysaccharides, are all features of G. intraradices that are shared with ectomycorrhizal symbionts and obligate biotrophic pathogens. • Our results illuminate the genetic basis of symbiosis-related traits of the most ancient lineage of plant biotrophs, advancing future research on these agriculturally and ecologically important symbionts.

Summary Drastic alteration in macronutrients causes large changes in gene expression in the photosynthetic unicellular alga Chlamydomonas reinhardtii . Preliminary data suggested that cells follow a biphasic response to this change hinging on the initiation of lipid accumulation, and we hypothesized that drastic repatterning of metabolism also followed this biphasic modality. To test this hypothesis, transcriptomic, proteomic, and metabolite changes that occur under nitrogen (N) deprivation were analyzed. Eight sampling times were selected covering the progressive slowing of growth and induction of oil synthesis between 4 and 6 h after N deprivation. Results of the combined, systems‐level investigation indicated that C. reinhardtii cells sense and respond on a large scale within 30 min to a switch to N‐deprived conditions turning on a largely gluconeogenic metabolic state, which then transitions to a glycolytic stage between 4 and 6 h after N depletion. This nitrogen‐sensing system is transduced to carbon‐ and nitrogen‐responsive pathways, leading to down‐regulation of carbon assimilation and chlorophyll biosynthesis, and an increase in nitrogen metabolism and lipid biosynthesis. For example, the expression of nearly all the enzymes for assimilating nitrogen from ammonium, nitrate, nitrite, urea, formamide/acetamide, purines, pyrimidines, polyamines, amino acids and proteins increased significantly. Although arginine biosynthesis enzymes were also rapidly up‐regulated, arginine pool size changes and isotopic labeling results indicated no increased flux through this pathway.

Carbon Concentrating Mechanisms (CCMs) have evolved numerous times in photosynthetic organisms. They elevate the concentration of CO2 around the carbon-fixing enzyme rubisco, thereby increasing CO2 assimilatory flux and reducing photorespiration. Biophysical CCMs, like the pyrenoid-based CCM of Chlamydomonas reinhardtii or carboxysome systems of cyanobacteria, are common in aquatic photosynthetic microbes, but in land plants appear only among the hornworts. To predict the likely efficiency of biophysical CCMs in C3 plants, we used spatially resolved reaction-diffusion models to predict rubisco saturation and light use efficiency. We find that the energy efficiency of adding individual CCM components to a C3 land plant is highly dependent on the permeability of lipid membranes to CO2, with values in the range reported in the literature that are higher than used in previous modeling studies resulting in low light use efficiency. Adding a complete pyrenoid-based CCM into the leaf cells of a C3 land plant is predicted to boost net CO2 fixation, but at higher energetic costs than those incurred by photorespiratory losses without a CCM. Two notable exceptions are when substomatal CO2 levels are as low as those found in land plants that already employ biochemical CCMs and when gas exchange is limited such as with hornworts, making the use of a biophysical CCM necessary to achieve net positive CO2 fixation under atmospheric CO2 levels. This provides an explanation for the uniqueness of hornworts' CCM among land plants and evolution of pyrenoids multiple times.

Abstract Plants employ the Calvin-Benson cycle (CBC) to fix atmospheric CO 2 for the production of biomass. The flux of carbon through the CBC is limited by the activity and selectivity of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO). Alternative pathways that do not use RuBisCO to fix CO 2 exist but occur only in anaerobic microorganisms. Rather than modifying existing routes of carbon metabolism in plants, we have developed a synthetic carbon fixation cycle that does not exist in nature, but is inspired by metabolisms of bacterial autotrophs. This synthetic cycle uses endogenous plant metabolites to fix CO 2 and yield glyoxylate as a product. In this work, we build and characterize a condensed, reverse tricarboxylic acid (crTCA) cycle in vitro and in planta . We demonstrate that a simple, synthetic cycle can be used to fix carbon in vitro under aerobic and mesophilic conditions and that these enzymes retain activity when expressed transiently in planta . We then evaluate stable transgenic lines of Camelina sativa that have both phenotypic and physiologic changes. Transgenic C. sativa are shorter than controls with increased rates of photosynthetic CO 2 assimilation and changes in photorespiratory metabolism. This first iteration of a build-test-learn phase of the crTCA cycle provides promising evidence that this pathway can be used to increase photosynthetic capacity in plants.

Abstract The modeling of rates of biochemical reactions – fluxes – in metabolic networks is widely used for both basic biological research and biotechnological applications. A number of different modeling methods have been developed to estimate and predict fluxes, including kinetic and constraint-based (Metabolic Flux Analysis and Flux Balance Analysis) approaches. Although different resources exist for teaching these methods individually, to-date no resources have been developed to teach these approaches in an integrative way that equips learners with an understanding of each modeling paradigm, how they relate to one another, and the information that can be gleaned from each. We have developed a series of modeling simulations in Python to teach kinetic modeling, Metabolic Control Analysis, l3C-Metabolic Flux Analysis and Flux Balance Analysis. These simulations are presented in a series of interactive notebooks with guided lesson plans and associated lecture notes. Learners assimilate key principles using models of simple metabolic networks by running simulations, generating and using data, and making and validating predictions about the effects of modifying model parameters. We used these simulations as the hands-on computer laboratory component of a four-day metabolic modeling workshop and participant survey results showed improvements in learners’ self-assessed competence and confidence in understanding and applying metabolic modeling techniques after having attended the workshop. The resources provided can be incorporated in their entirety or individually into courses and workshops on bioengineering and metabolic modeling at the undergraduate, graduate, or postgraduate level.