Abstract Plant acclimation to low temperatures occurs through system-wide mechanisms that include proteome shifts, some of which occur at the level of protein synthesis. All proteins are synthesised by ribosomes. Rather than being monolithic, transcript-to-protein translation machines, ribosomes can be selective and cause effective proteome shifts required for successful temperature acclimation. Here, we use apical root meristems of germinating seedlings of the monocotyledonous plant barley as a model to study changes in protein abundance and synthesis rates during cold acclimation. We measure metabolic and physiological parameters that allow us to compare protein synthesis rates in different physiological states, e.g., in cold acclimation compared to the optimal temperature state. We show that ribosomal proteins are independently synthesised and assembled into ribosomal complexes in root proliferative tissue, and assess how the ribo-proteome shifts during cold may be associated with changes in synthesis and accumulation of macromolecular complexes. We demonstrate that translation initiation is the limiting step during cold acclimation and based on our data propose a model of a ribosomal code that depends on a reconfigured ribosome population, where as a mode of cold acclimation, specific ribosomal protein compositions may confer selective association capabilities between 60S subunits and 48S initiation complexes.

Abstract Photoautotrophic organisms fix inorganic carbon (Ci) by two enzymes, ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RUBISCO) and phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC). RUBISCO assimilates Ci (CO2) into the 1-C position of 3-phosphoglycerate (3PGA). The Calvin-Benson-Basham (CBB) cycle redistributes fixed carbon atoms into 2,3-C 2 of the same molecule. PEPC uses phosphoenolpyruvate (PEP) derived from 3PGA and assimilates Ci (HCO 3- ) into 4-C of oxaloacetate (OAA). 1,2,3-C 3 of OAA and of its transaminase product aspartate originate directly from 1,2,3-C 3 of 3PGA. Positional isotopologue analysis of aspartate, the main downstream metabolite of OAA in the model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 ( Synechocystis ), allows differentiation between PEPC, RUBISCO, and CBB cycle activities within one molecule. We explored in source fragmentation of gas chromatography-electron impact ionization-mass spectrometry (GC-EI-MS) at nominal mass resolution and GC-atmospheric pressure chemical ionization-MS (GC-APCI-MS) at high mass resolution. This enabled the determination of fractional 13 C enrichment (E 13 C) at each carbon position of aspartate. Two prevailing GC-MS derivatization methods, i.e. trimethylsilylation and tert-butyldimethylsilylation, were evaluated. The method was validated by 13 C-isotopomer mixtures of positional labeled aspartic acid. Combination with dynamic 13 CO 2 labeling of Synechocystis cultures allowed direct measurements of PEPC activity in vivo alongside analyses of RUBISCO and CBB cycle activities. Accurate quantification of aspartate concentration and positional E 13 C provided molar Ci assimilation rates during the day and night phases of photoautotrophic Synechocystis cultures. The validated method offers several applications to characterize the photosynthetic Ci fixation in different organisms.

Abstract The putative circadian clock system of the facultative heterotrophic cyanobacterial strain Synechocystis sp. PCC 6803 comprises the following three Kai-based systems: a KaiABC-based potential oscillator that is linked to the SasA-RpaA two-component output pathway and two additional KaiBC systems without a cognate KaiA component. Mutants lacking the genes encoding the KaiAB1C1 components or the response regulator RpaA show reduced growth in light/dark cycles and do not show heterotrophic growth in the dark. In the present study, the effect of these mutations on central metabolism was analyzed by targeted and nontargeted metabolite profiling. The strongest metabolic changes were observed in the dark in Δ rpaA and, to a lesser extent, in the Δ kaiAB1C1 mutant. These observations included the overaccumulation of 2-phosphoglycolate, which correlated with the overaccumulation of the RbcL subunit in the mutants, and taken together, these data suggest enhanced RubisCO activity in the dark. The imbalanced carbon metabolism in the Δ rpaA mutant extended to the pyruvate family of amino acids, which showed increased accumulation in the dark. Hence, the deletion of the response regulator rpaA had a more pronounced effect on metabolism than the deletion of the kai genes. The larger impact of the rpaA mutation is in agreement with previous transcriptomic analyses and likely relates to a KaiAB1C1-independent function as a transcription factor. Collectively, our data demonstrate an important role of homologs of clock proteins in Synechocystis for balanced carbon and nitrogen metabolism during light-to-dark transitions.