Chlamydomonas reinhardtii is a unicellular green alga whose lineage diverged from land plants over 1 billion years ago. It is a model system for studying chloroplast-based photosynthesis, as well as the structure, assembly, and function of eukaryotic flagella (cilia), which were inherited from the common ancestor of plants and animals, but lost in land plants. We sequenced the ∼120-megabase nuclear genome of Chlamydomonas and performed comparative phylogenomic analyses, identifying genes encoding uncharacterized proteins that are likely associated with the function and biogenesis of chloroplasts or eukaryotic flagella. Analyses of the Chlamydomonas genome advance our understanding of the ancestral eukaryotic cell, reveal previously unknown genes associated with photosynthetic and flagellar functions, and establish links between ciliopathy and the composition and function of flagella.

The metabolism of one-carbon (C1) units is essential to plants, and plant C1 metabolism has novel features not found in other organisms-plus some enigmas. Despite its centrality, uniqueness, and mystery, plant C1 biochemistry has historically been quite poorly explored, in part because its enzymes and intermediates tend to be labile and low in abundance. Fortunately, the integration of molecular and genetic approaches with biochemical ones is now driving rapid advances in knowledge of plant C1 enzymes and genes. An overview of these advances is presented. There has also been progress in measuring C1 metabolite fluxes and pool sizes, although this remains challenging and there are relatively few data. In the future, combining reverse genetics with flux and pool size determinations should lead to quantitative understanding of how plant C1 pathways function. This is a prerequisite for their rational engineering.

Abstract Marine algae are responsible for half of the world’s primary productivity, but this critical carbon sink is often constrained by insufficient iron. One species of marine algae, Dunaliella tertiolecta , is remarkable for its ability to maintain photosynthesis and thrive in low-iron environments. A related species, Dunaliella salina Bardawil, shares this attribute but is an extremophile found in hyper-saline environments. To elucidate how algae manage their iron requirements, we produced high-quality genome assemblies and transcriptomes for both species to serve as a foundation for a comparative multi-omics analysis. We identified a host of iron-uptake proteins in both species, including a massive expansion of transferrins and a novel family of siderophore-iron uptake proteins. Complementing these multiple iron-uptake routes, ferredoxin functions as a large iron reservoir that can be released by induction of flavodoxin. Proteomic analysis revealed reduced investment in the photosynthetic apparatus coupled with remodeling of antenna proteins by dramatic iron-deficiency induction of TIDI1, an LHCA-related protein found also in other chlorophytes. These combinatorial iron scavenging and sparing strategies make Dunaliella unique among photosynthetic organisms. Significance Statement Despite their small size, microalgae play a huge role in CO 2 uptake via photosynthesis, and represent an important target for climate crisis mitigation efforts. Most photosynthesis proteins require iron as a co-factor so that insufficient iron often limits algal CO 2 sequestration. With this in mind, we examined a genus of microalgae called Dunaliella that is exceptionally well-adapted to low iron environments. We produced complete genomes, transcriptomes, and proteomes for two species of Dunaliella that hail from radically different environments: one from coastal ocean waters and the other from salt flats. We identified dozens of genes and multiple, complementary strategies that both species utilize for iron-uptake and management that explain Dunaliella’s remarkable ability to thrive on low iron.

Abstract Photorespiration recovers carbon that would be otherwise lost following the oxygenation reaction of rubisco and production of glycolate. Photorespiration is essential in plants and recycles glycolate into usable metabolic products through reactions spanning the chloroplast, mitochondrion, and peroxisome. Catalase in peroxisomes plays an important role in this process by disproportionating H 2 O 2 resulting from glycolate oxidation into O 2 and water. We hypothesize that catalase in the peroxisome also protects against non-enzymatic decarboxylations between hydrogen peroxide and photorespiratory intermediates (glyoxylate and/or hydroxypyruvate). We test this hypothesis by detailed gas exchange and biochemical analysis of Arabidopsis thaliana mutants lacking peroxisomal catalase. Our results strongly support this hypothesis, with catalase mutants showing gas exchange evidence for an increased stoichiometry of CO 2 release from photorespiration, specifically an increase in the CO 2 compensation point, a photorespiratory-dependent decrease in the quantum efficiency of CO 2 assimilation, increase in the 12 CO 2 released in a 13 CO 2 background and an increase in the post-illumination CO 2 burst. Further metabolic evidence suggests this excess CO 2 release occurred via the non-enzymatic decarboxylation of hydroxypyruvate. Specifically, the catalase mutant showed an accumulation of photorespiratory intermediates during a transient increase in rubisco oxygenation consistent with this hypothesis. Additionally, end products of alternative hypotheses explaining this excess release were similar between wild type and catalase mutants. Furthermore, the calculated rate of hydroxypyruvate decarboxylation in catalase mutant is much higher than that of glyoxylate decarboxylation. This work provides evidence that these non-enzymatic decarboxylation reactions, predominately hydroxypyruvate decarboxylation, can occur in vivo when photorespiratory metabolism is genetically disrupted. One Sentence Summary Catalase guards against additional carbon loss from photorespiration arising from non-enzymatic decarboxylations of photorespiratory intermediates.