The marine unicellular cyanobacterium Prochlorococcus is the smallest-known oxygen-evolving autotroph1. It numerically dominates the phytoplankton in the tropical and subtropical oceans2,3, and is responsible for a significant fraction of global photosynthesis. Here we compare the genomes of two Prochlorococcus strains that span the largest evolutionary distance within the Prochlorococcus lineage4 and that have different minimum, maximum and optimal light intensities for growth5. The high-light-adapted ecotype has the smallest genome (1,657,990 base pairs, 1,716 genes) of any known oxygenic phototroph, whereas the genome of its low-light-adapted counterpart is significantly larger, at 2,410,873 base pairs (2,275 genes). The comparative architectures of these two strains reveal dynamic genomes that are constantly changing in response to myriad selection pressures. Although the two strains have 1,350 genes in common, a significant number are not shared, and these have been differentially retained from the common ancestor, or acquired through duplication or lateral transfer. Some of these genes have obvious roles in determining the relative fitness of the ecotypes in response to key environmental variables, and hence in regulating their distribution and abundance in the oceans.

Prochlorococcus is a marine cyanobacterium that numerically dominates the mid-latitude oceans and is the smallest known oxygenic phototroph. Numerous isolates from diverse areas of the world's oceans have been studied and shown to be physiologically and genetically distinct. All isolates described thus far can be assigned to either a tightly clustered high-light (HL)-adapted clade, or a more divergent low-light (LL)-adapted group. The 16S rRNA sequences of the entire Prochlorococcus group differ by at most 3%, and the four initially published genomes revealed patterns of genetic differentiation that help explain physiological differences among the isolates. Here we describe the genomes of eight newly sequenced isolates and combine them with the first four genomes for a comprehensive analysis of the core (shared by all isolates) and flexible genes of the Prochlorococcus group, and the patterns of loss and gain of the flexible genes over the course of evolution. There are 1,273 genes that represent the core shared by all 12 genomes. They are apparently sufficient, according to metabolic reconstruction, to encode a functional cell. We describe a phylogeny for all 12 isolates by subjecting their complete proteomes to three different phylogenetic analyses. For each non-core gene, we used a maximum parsimony method to estimate which ancestor likely first acquired or lost each gene. Many of the genetic differences among isolates, especially for genes involved in outer membrane synthesis and nutrient transport, are found within the same clade. Nevertheless, we identified some genes defining HL and LL ecotypes, and clades within these broad ecotypes, helping to demonstrate the basis of HL and LL adaptations in Prochlorococcus. Furthermore, our estimates of gene gain events allow us to identify highly variable genomic islands that are not apparent through simple pairwise comparisons. These results emphasize the functional roles, especially those connected to outer membrane synthesis and transport that dominate the flexible genome and set it apart from the core. Besides identifying islands and demonstrating their role throughout the history of Prochlorococcus, reconstruction of past gene gains and losses shows that much of the variability exists at the "leaves of the tree," between the most closely related strains. Finally, the identification of core and flexible genes from this 12-genome comparison is largely consistent with the relative frequency of Prochlorococcus genes found in global ocean metagenomic databases, further closing the gap between our understanding of these organisms in the lab and the wild.

Prochlorococcus ecotypes are a useful system for exploring the origin and function of diversity among closely related microbes. The genetic variability between phenotypically distinct strains that differ by less that 1% in 16 S ribosomal RNA sequences occurs mostly in genomic islands. Island genes appear to have been acquired in part by phage-mediated lateral gene transfer, and some are differentially expressed under light and nutrient stress. Furthermore, genome fragments directly recovered from ocean ecosystems indicate that these islands are variable among cooccurring Prochlorococcus cells. Genomic islands in this free-living photoautotroph share features with pathogenicity islands of parasitic bacteria, suggesting a general mechanism for niche differentiation in microbial species.

There has been an increasing interest in cyanobacteria because these photosynthetic organisms convert solar energy into biomass and because of their potential for the production of biofuels. However, the exploitation of cyanobacteria for bioengineering requires knowledge of their transcriptional organization. Using differential RNA sequencing, we have established a genome-wide map of 3,527 transcriptional start sites (TSS) of the model organism Synechocystis sp. PCC6803. One-third of all TSS were located upstream of an annotated gene; another third were on the reverse complementary strand of 866 genes, suggesting massive antisense transcription. Orphan TSS located in intergenic regions led us to predict 314 noncoding RNAs (ncRNAs). Complementary microarray-based RNA profiling verified a high number of noncoding transcripts and identified strong ncRNA regulations. Thus, ∼64% of all TSS give rise to antisense or ncRNAs in a genome that is to 87% protein coding. Our data enhance the information on promoters by a factor of 40, suggest the existence of additional small peptide-encoding mRNAs, and provide corrected 5′ annotations for many genes of this cyanobacterium. The global TSS map will facilitate the use of Synechocystis sp. PCC6803 as a model organism for further research on photosynthesis and energy research.

Abstract RNA degradation is crucial for many processes in pro- and eukaryotic organisms. In bacteria, the preference of the central ribonucleases RNase E, RNase J and RNase Y towards 5’-monophosphorylated RNAs is considered important for RNA degradation. For RNase E, the underlying mechanism is termed 5’ sensing. Cyanobacteria, such as Synechocystis sp. PCC 6803 ( Synechocystis ), encode RNase E and RNase J homologs. Here, we constructed a Synechocystis strain lacking the 5’ sensing function of RNase E and mapped on a transcriptome-wide level 292 5’-sensing-dependent cleavage sites. These included so far unknown targets such as the 5’ untranslated region of the response regulator gene lsiR ; trxA, apcE and atpI mRNAs, encoding proteins related to energy metabolism; as well as sbtB and rbcLXS encoding proteins relevant for carbon fixation. Cyanobacterial 5’ sensing is important for the maturation of rRNA and several tRNAs, including tRNA Glu UUC . This tRNA activates glutamate for tetrapyrrole biosynthesis in plant chloroplasts and most prokaryotes. We found that increased RNase activities leads to a higher copy number of the major Synechocystis plasmids pSYSA and pSYSM. The results provide a first step towards understanding the relative importance of different target mechanisms of RNase E outside Escherichia coli .

Abstract Phycobilisomes are the major pigment-protein antenna complexes that perform photosynthetic light harvesting in cyanobacteria, rhodophyte and glaucophyte algae. Up to 50% of the cellular nitrogen can be stored in their giant structures. Accordingly, upon nitrogen depletion, phycobilisomes are rapidly degraded. This degradation is tightly coordinated, follows a genetic program and involves small proteins serving as proteolysis adaptors. Here, we describe the role of NblD, a novel factor in this process in cyanobacteria. NblD is a cysteine-rich, 66-amino acid small protein that becomes rapidly induced upon nitrogen starvation. Deletion of the nblD gene in the cyanobacterium Synechocystis prevents the degradation of phycobilisomes, leading to a nonbleaching ( nbl ) phenotype. Competition experiments provided direct evidence for the physiological importance of NblD. Complementation by a plasmid-localized gene copy fully restored the phenotype of the wild type. Overexpression of NblD under nitrogen-replete conditions showed no effect, in contrast to the unrelated proteolysis adaptors NblA1 and NblA2, which can trigger phycobilisome degradation ectopically. Transcriptome analysis revealed that nitrogen starvation correctly induces nblA1/2 transcription in the Δ nblD strain implying that NblD does not act as a transcriptional (co-)regulator. However, fractionation and coimmunoprecipitation experiments indicated the presence of NblD in the phycobilisome fraction and identified the β-phycocyanin subunit as its target. These data add NblD as a new factor to the genetically programmed response to nitrogen starvation and demonstrate that it plays a crucial role in the coordinated dismantling of phycobilisomes when nitrogen becomes limiting. Significance Statement During genome analysis, genes encoding small proteins are frequently neglected. Accordingly, small proteins have remained underinvestigated in all domains of life. Based on a previous systematic search for such genes, we present the functional analysis of the small protein NblD in a photosynthetic cyanobacterium. We show that NblD plays a crucial role during the coordinated dismantling of phycobilisome light-harvesting complexes. This disassembly is triggered when the cells run low in nitrogen, a condition that frequently occurs in nature. Similar to the NblA proteins that label phycobiliproteins for proteolysis, NblD binds to phycocyanin polypeptides but has a different function. The results show that, even in a well-investigated process, crucial new players can be discovered if small proteins are taken into consideration.

ABSTRACT Synthetic biology approaches toward the development of cyanobacterial producer strains require the availability of appropriate sets of plasmid vectors. A factor for the industrial usefulness of such strains is their robustness against pathogens, such as bacteriophages infecting cyanobacteria. Therefore, it is of great interest to understand the native plasmid replication systems and the CRISPR-Cas based defense mechanisms already present in cyanobacteria. In the model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803, four large and three smaller plasmids exist. The ∼100 kb plasmid pSYSA is specialized in defense functions by encoding all three CRISPR-Cas systems and several toxin-antitoxin systems. The expression of genes located on pSYSA depends on the plasmid copy number in the cell. The pSYSA copy number is positively correlated with the expression level of the endoribonuclease E. As molecular basis for this correlation we identified the RNase E-mediated cleavage within the pSYSA-encoded ssr7036 transcript. Together with a cis-located abundant antisense RNA (asRNA1), this mechanism resembles the control of ColE1-type plasmid replication by two overlapping RNAs, RNA I and II. In the ColE1 mechanism, two non-coding RNAs interact, supported by the small protein Rop, which is encoded separately. In contrast, in pSYSA the similar-sized protein Ssr7036 is encoded within one of the interacting RNAs and it is this mRNA that likely primes pSYSA replication. Essential for plasmid replication is furthermore the downstream encoded protein Slr7037 featuring primase and helicase domains. Deletion of slr7037 led to the integration of pSYSA into the chromosome or the other large plasmid pSYSX. Moreover, the presence of slr7037 was required for successful replication of a pSYSA-derived vector in another model cyanobacterium, Synechococcus elongatus PCC 7942. Therefore, we annotated the protein encoded by slr7037 as Cyanobacterial Rep protein A1 (CyRepA1). Our findings open new perspectives on the development of shuttle vectors for genetic engineering of cyanobacteria and of modulating the activity of the entire CRISPR-Cas apparatus in Synechocystis sp. PCC 6803.

Abstract Endoribonucleases govern the maturation and degradation of RNA and are indispensable in the posttranscriptional regulation of gene expression. A key endoribonuclease in many bacteria is RNase E. To ensure an appropriate supply of RNase E, some bacteria, such as E. coli, have evolved tightly functioning feedback regulation of RNase E that is mediated in cis by the rne 5′-untranslated region (5′ UTR); however, the mechanisms involved in the control of RNase E in other bacteria largely remain unknown. Cyanobacteria rely on solar light as an energy source for photosynthesis, despite the inherent ultraviolet (UV) irradiation. Here, we investigated the global gene expression response in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 after exposure to UV light and discovered a unique response of RNase E: a rapidly increasing enzymatic activity, although the stability of the protein was decreased. In parallel, we observed an increased accumulation of full-length rne mRNA that was caused by the stabilization of its 5′ UTR and suppression of premature transcriptional termination but not by an increased transcription rate. Mapping of RNA 3′ ends and in vitro cleavage assays revealed that RNase E cleaves within a stretch of six consecutive uridine residues within the rne 5′ UTR, indicating autoregulation via its own 5′ UTR. These observations imply that RNase E in cyanobacteria contributes substantially to reshaping the transcriptome during the UV stress response and that its required activity level is maintained despite enhanced turnover of the protein by posttranscriptional feedback regulation.

ABSTRACT Ribonucleases are crucial enzymes in RNA metabolism and post-transcriptional regulatory processes in bacteria. Cyanobacteria encode the two essential ribonucleases RNase E and RNase J. Cyanobacterial RNase E is shorter than homologues in other groups of bacteria and lacks both the chloroplast-specific N-terminal extension as well as the C-terminal domain typical for RNase E of enterobacteria. In order to investigate the function of RNase E in the model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803, we engineered a temperature-sensitive RNase E mutant by introducing two site-specific mutations, I65F and spontaneously occurring V94A. This enabled us to perform RNA-seq after the transient inactivation of RNase E by a temperature shift (TIER-seq) and to map 1,472 RNase-E-dependent cleavage sites. We inferred a dominating cleavage signature consisting of an adenine at the -3 and a uridine at the +2 position within a single-stranded segment of the RNA. The data identified putative RNase-E-dependent instances of operon discoordination, mRNAs likely regulated jointly by RNase E and an sRNA, potential 3’ end-derived sRNAs and a dual-acting mechanism for the glutamine riboswitch. Our findings substantiate the pivotal role of RNase E in post-transcriptional regulation and suggest the redundant or concerted action of RNase E and RNase J in cyanobacteria.

CRISPR-Cas systems in bacteria and archaea provide powerful defense against phages and other foreign genetic elements. The principles of CRISPR-Cas activity are well understood, but less is known about how their expression is regulated. The cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 encodes three different CRISPR-Cas systems. The expression of one of them, a type III-Dv system, responds to changes in environmental conditions, such as nitrogen starvation or varying light intensities. Here, we found that the promoter of the respective six-gene cas operon is controlled by the light- and redox-responsive transcription factor RpaB. RpaB binds to an HLR1 motif located 53 to 70 nt upstream of the transcription start site, resulting in transcriptional activation at low light intensities. However, the strong promoter driving transcription of the cognate repeat-spacer array is not controlled by RpaB. Instead, we found that the 125 nt transcribed leader is bound by the redox-sensitive RNA helicase CrhR. Cross-linking coupled to mass spectrometry analysis revealed six residues involved in the CrhR-RNA interaction. Of these, L103, F104, H225, and C371 were predicted to be on the surface of a dimeric CrhR model, while C184 was not and P443 in the very C-terminal region could not be assigned to a structural element. These results show that the expression of the CRISPR-Cas system is linked to the redox status of the photosynthetic cyanobacterial cell at two different levels. While RpaB affects transcription, CrhR interacts with the transcribed leader post-transcription. These results highlight the complex interplay between a CRISPR-Cas system and its host cell.