ABSTRACT Diatoms are predicted to synthesize certain amino acids within the chloroplast, including L-lysine via a diaminopimelate-dependent pathway. Herein, we report that the model diatom, Phaeodactylum tricornutum , possesses a chimeric lysine biosynthetic pathway, which coalesces bacterial and plant genes, and is terminated by a chloroplast-localized diaminopimelate decarboxylase (DAPDC, Pt LYSA). We show that while RNAi ablation of P t LYSA is either synthetically lethal or concomitant with a slower growth rate, Cas9-mediated mutagenesis of PtLYSA results in recovery of heterozygous cells lines, suggesting that PtLYSA is an essential gene. Previously characterized DAPDCs are unique within the PLP-dependent decarboxylases where catalysis occurs at the D-stereocenter of the substrate and display a strict stereochemical preference for a (D,L)- or meso -substrate and not the D,D- or L,L-isomers of diaminopimelate (DAP) to synthesize L-lysine. Using decarboxylation assays and differential scanning calorimetry analyses, we validate that Pt LYSA is a bona fide DAPDC and uncover its unexpected stereopromiscuous behavior in substrate specificity. The crystal structure of Pt LYSA confirms the enzyme is an obligate homodimer in which both protomers reciprocally participate in the active site. The structure underscores features unique to the Pt LYSA clan of DAPDC and provides structural insight into the determinants responsible for the substrate-promiscuity observed in Pt LYSA.

Iron is a biochemically critical metal cofactor in enzymes involved in photosynthesis, respiration, nitrate assimilation, nitrogen fixation and reactive oxygen species defense. Marine microeukaryotes have evolved a phytotransferrin-based iron uptake system to cope with iron scarcity, a major factor limiting primary productivity in the global ocean. Diatom phytotransferrin is internalized via endocytosis, however proteins downstream of this environmentally ubiquitous iron receptor are unknown. We applied engineered ascorbate peroxidase APEX2-based subcellular proteomics to catalog proximal proteins of phytotransferrin in the model diatom Phaeodactylum tricornutum . Proteins encoded by poorly characterized iron-sensitive genes were identified including three that are expressed from a chromosomal gene cluster. Two of them showed unambiguous colocalization with phytotransferrin adjacent to the chloroplast. Further phylogenetic, domain, and biochemical analyses suggest their involvement in intracellular iron processing. Proximity proteomics holds enormous potential to glean new insights into iron acquisition pathways and beyond in these evolutionarily, ecologically and biotechnologically important microalgae.

Abstract Phytoplankton play a crucial role in global primary production and can form vast blooms in aquatic ecosystems. Bloom demise and the rapid turnover of phytoplankton are suggested to involve programmed cell death (PCD) induced by diverse environmental stressors. However, fundamental knowledge of the PCD molecular components in algae and protists in general remains elusive. Previously, we revealed that early oxidation in the chloroplast predicted subsequent cell death or survival in isogenic subpopulations that emerged following H 2 O 2 treatment in the diatom Phaeodactylum tricornutum . Here, we performed transcriptome analysis of sorted sensitive oxidized cells and resilient reduced cells, to discover genes linked to their contrasting fates. By cross-comparison with a large-scale mutant screen in the green alga Chlamydomonas reinhardtii , we identified functionally relevant conserved PCD gene candidates, including the cysteine protease cathepsin X/Z ( CPX ). CPX mutants in P. tricornutum CPX1 and C. reinhardtii CEP12 both exhibited profound resilience to oxidative stress, supporting a conserved function in algal PCD. P. tricornutum cpx1 mutants, generated using CRISPR-Cas9, also exhibited resilience to the toxic diatom-derived infochemical cyanogen bromide. Phylogenetic and predictive structural analyses show that CPX is highly conserved in eukaryotes, and algae of the green and red lineages exhibit strong structural similarity to human cathepsin CTSZ . CPX is expressed by diverse algae across the oceans and during toxic Pseudo-nitzschia blooms, supporting its ecological importance. Elucidating PCD components in algae sheds light on the evolutionary origin of PCD in unicellular organisms, and on the cellular strategies employed by the population to cope with stressful conditions.