Abstract Approximately one-third of the Earth’s photosynthetic CO 2 assimilation occurs in a pyrenoid, an organelle containing the CO 2 -fixing enzyme Rubisco. How constituent proteins are recruited to the pyrenoid, and how the organelle’s sub-compartments - membrane tubules, a surrounding phase-separated Rubisco matrix, and a peripheral starch sheath - are held together is unknown. Using the model alga Chlamydomonas reinhardtii , we discovered that pyrenoid proteins share a sequence motif. We show that the motif is sufficient to target proteins to the pyrenoid and that the motif binds to Rubisco, suggesting a mechanism for targeting. The presence of the Rubisco-binding motif on proteins that localize to the tubules and on proteins that localize to the matrix-starch sheath interface suggests that the motif holds the pyrenoid’s three sub-compartments together. Our findings advance our understanding of pyrenoid biogenesis and illustrate how a single protein motif can underlie the architecture of a complex multi-layered phase-separated organelle. One Sentence Summary A ubiquitous Rubisco-binding motif targets proteins to the pyrenoid and holds together the pyrenoid’s three sub-compartments.

Abstract Phase separation underpins many biologically important processes such as RNA metabolism, signaling and CO 2 fixation. However, determining the composition of a phase separated organelle is often challenging due to their sensitivity to environmental conditions which limits the application of traditional proteomics techniques like organellar purification or affinity purification mass spectrometry to understand their composition. In Chlamydomonas reinhardtii , Rubisco is condensed into a crucial phase separated organelle called the pyrenoid that improves photosynthetic performance by supplying Rubisco with elevated concentrations of CO 2 . Here, we developed a TurboID based proximity labeling technique in Chlamydomonas chloroplasts, where proximal proteins are labeled by biotin radicals generated from the TurboID-tagged protein. Through the expression of two core pyrenoid components fused with the TurboID tag, we have generated a high confidence pyrenoid proxiome that contains the majority of known pyrenoid proteins plus a number of novel pyrenoid candidates. Fluorescence protein tagging of 8 previously uncharacterized TurboID-identified proteins showed 7 were localized to a range of sub-pyrenoid regions. The resulting proxiome also suggests new secondary functions for the pyrenoid in RNA-associated processes and redox sensitive iron-sulfur cluster metabolism. This developed pipeline opens the possibility of investigating a broad range of biological processes in Chlamydomonas especially at a temporally resolved sub-organellar resolution.

Abstract In many eukaryotic algae, CO2 fixation by Rubisco is enhanced by a CO2-concentrating mechanism, which utilizes a Rubisco-rich organelle called the pyrenoid. The pyrenoid is traversed by a network of thylakoid membranes called pyrenoid tubules, which are proposed to deliver CO2. In the model alga Chlamydomonas (Chlamydomonas reinhardtii), the pyrenoid tubules have been proposed to be tethered to the Rubisco matrix by a bestrophin-like transmembrane protein, BST4. Here, we show that BST4 forms a complex that localizes to the pyrenoid tubules. A Chlamydomonas mutant impaired in the accumulation of BST4 (bst4) formed normal pyrenoid tubules, and heterologous expression of BST4 in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) did not lead to the incorporation of thylakoids into a reconstituted Rubisco condensate. Chlamydomonas bst4 mutants did not show impaired growth under continuous light at air level CO2 but were impaired in their growth under fluctuating light. By quantifying the non-photochemical quenching (NPQ) of chlorophyll fluorescence, we propose that bst4 has a transiently lower thylakoid lumenal pH during dark-to-light transition compared to control strains. We conclude that BST4 is not a tethering protein but is most likely a pyrenoid tubule ion channel involved in the ion homeostasis of the lumen with particular importance during light fluctuations.

ABSTRACT The eukaryotic algal CO 2 -concentrating mechanism (CCM) is based on a Rubisco-rich organelle called the pyrenoid, which is typically traversed by a network of thylakoid membranes. BST4 is a bestrophin-like transmembrane protein that has previously been identified in the model alga Chlamydomonas reinhardtii as a putative tether that could link the traversing thylakoid membrane network to the Rubisco matrix. In the present study, we show that BST4 forms a higher order complex assembly that localizes to the thylakoid network within the pyrenoid. However, investigation of a bst4 knock-out mutant in Chlamydomonas showed that the absence of BST4 did not result in a CCM-deficient phenotype and that BST4 is not necessary for the formation of the trans-pyrenoid thylakoids. Furthermore, heterologous expression of BST4 was not sufficient to facilitate the incorporation of thylakoids into a reconstituted Rubisco condensate in the land plant Arabidopsis. Subsequent analyses revealed that bst4 was under oxidative stress and showed enhanced non-photochemical quenching associated with CO 2 limitation and over acidification of the thylakoid lumen. We conclude that the primary role of BST4 is not as a tethering protein, but rather as an ion channel involved in pH regulation in pyrenoid-based CCMs. One-sentence summary In Chlamydomonas, the pyrenoid-localized bestrophin-like protein BST4 is a putative ion channel involved in pH regulation of the thylakoid lumen.

Abstract The ability to clone genes has driven fundamental advances in cell and molecular biology, enabling researchers to introduce precise mutations, generate fluorescent protein fusions for localization and to confirm genetic causation by mutant complementation. Most gene cloning is PCR or DNA synthesis dependent, which can become costly and technically challenging as genes increase in size and particularly if they contain complex regions. This has been a long-standing challenge for the Chlamydomonas reinhardtii research community, with a high percentage of genes containing complex sequence structures, an average genomic GC content of 64% and gene expression requiring regular introns for stable transcription. Here we overcome these challenges via the development of a recombineering pipeline that enables the rapid parallel cloning of genes from a Chlamydomonas BAC collection. We show the method can successfully retrieve large and complex genes that PCR-based methods have previously failed to clone, including genes as large as 23 kilobases, thus making previously technically challenging genes to study now amenable to cloning. We initially applied the pipeline to 12 targets with a 92% cloning success rate. We then developed a high-throughput approach and targeted 191 genes relating to the Chlamydomonas CO 2 concentrating mechanism (CCM) with an overall cloning success rate of 77% that is independent of gene size. Localization of a subset of CCM targets has confirmed previous mass spectrometry data and identified new pyrenoid components. To expand the functionality of our system, we developed a series of localization vectors that enable complementation of Chlamydomonas Library Project mutants and enable protein tagging with a range of fluorophores. Vectors and detailed protocols are available to facilitate the easy adoption of this method by the Chlamydomonas research community. We envision that this technology will open up new possibilities in algal and plant research and be complementary to the Chlamydomonas mutant library.