Abstract Duckweeds are a monophyletic group of rapidly reproducing aquatic monocots in the Lemnaceae family. Spirodela polyrhiza , the Greater Duckweed, has the largest body plan yet the smallest genome size in the family (1C = 150 Mb). Given their clonal, exponentially fast reproduction, a key question is whether genome structure is conserved across the species in the absence of meiotic recombination. We generated a highly contiguous, chromosome-scale assembly of Spirodela polyrhiza line Sp7498 using Oxford Nanopore plus Hi-C scaffolding (Sp7498_HiC) which is highly syntenic with a related line (Sp9509). Both the Sp7498_HiC and Sp9509 genome assemblies reveal large chromosomal misorientations in a recent PacBio assembly of Sp7498, highlighting the necessity of orthogonal long-range scaffolding techniques like Hi-C and BioNano optical mapping. Shotgun proteomics of Sp7498 verified the expression of ∼2,250 proteins and revealed a high abundance of proteins involved in photosynthesis and carbohydrate metabolism among other functions. In addition, a strong increase in chloroplast proteins was observed that correlated to chloroplast density. This Sp7498_HiC genome was generated cheaply and quickly with a single Oxford Nanopore MinION flow cell and one Hi-C library in a classroom setting. Combining these data with a mass spectrometry-generated proteome illustrates the utility of duckweed as a model for genomics- and proteomics-based education.

Abstract Different intensities of high temperatures affect the growth of photosynthetic cells in nature. To elucidate the underlying mechanisms, we cultivated the unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii under highly controlled photobioreactor conditions and revealed systems-wide shared and unique responses to 24-hour moderate (35°C) and acute (40°C) high temperatures and subsequent recovery at 25°C. We identified previously overlooked unique elements in response to moderate high temperature. Heat at 35°C transiently arrested the cell cycle followed by partial synchronization, up-regulated transcripts/proteins involved in gluconeogenesis/glyoxylate-cycle for carbon uptake, promoted growth, and increased starch accumulation. Heat at 40°C arrested the cell cycle, inhibited growth, resulting in carbon uptake over usage and increased starch accumulation. Both high temperatures induced photoprotection, while 40°C decreased photosynthetic efficiency, distorted thylakoid/pyrenoid ultrastructure, and affected the carbon concentrating mechanism. We demonstrated increased transcript/protein correlation during both heat treatments, suggesting reduced post-transcriptional regulation during heat may help coordinate heat tolerance activities efficiently. During recovery after both heat treatments, transcripts/proteins related to DNA synthesis increased while those involved in photosynthetic light reactions decreased. We propose down-regulating photosynthetic light reactions during DNA replication benefits cell cycle resumption by reducing ROS production. Our results provide potential targets to increase thermotolerance in algae and crops.

Abstract C 4 plants frequently experience damaging high light (HL) and high temperature (HT) conditions in native environments, which reduce growth and yield. However, the mechanisms underlying these stress responses in C 4 plants have been under-explored, especially the coordination between mesophyll (M) and bundle sheath (BS) cells. We investigated how the C 4 model plant Setaria viridis responded to a four-hour HL or HT treatment at the photosynthetic, transcriptomic, and ultrastructural levels. Although we observed a comparable reduction of photosynthetic efficiency in HL- or HT-treated leaves, detailed analysis of multi-level responses revealed important differences in key pathways and M/BS specificity responding to HL and HT. We provide a systematic analysis of HL and HT responses in S. viridis , reveal different acclimation strategies to these two stresses in C 4 plants, discover unique light/temperature responses in C 4 plants in comparison to C 3 plants, and identify potential targets to improve abiotic stress tolerance in C 4 crops.

Abstract Different high temperatures adversely affect crop and algal yields with various responses in photosynthetic cells. The list of genes required for thermotolerance remains elusive. Additionally, it is unclear how carbon source availability affects heat responses in plants and algae. We utilized the insertional, indexed, genome-saturating mutant library of the unicellular, eukaryotic green alga Chlamydomonas reinhardtii to perform genome-wide, quantitative, pooled screens under moderate (35°C) or acute (40°C) high temperatures with or without organic carbon sources. We identified heat-sensitive mutants based on quantitative growth rates and identified putative heat tolerance genes (HTGs). By triangulating HTGs with heat-induced transcripts or proteins in wildtype cultures and MapMan functional annotations, we present a high/medium-confidence list of 933 Chlamydomonas genes with putative roles in heat tolerance. Triangulated HTGs include those with known thermotolerance roles and novel genes with little or no functional annotation. About 50% of these high-confidence HTGs in Chlamydomonas have orthologs in green lineage organisms, including crop species. Arabidopsis thaliana mutants deficient in the ortholog of a high-confidence Chlamydomonas HTG were also heat sensitive. This work expands our knowledge of heat responses in photosynthetic cells and provides engineering targets to improve thermotolerance in algae and crops.

Abstract High temperatures impair plant and algal growth and reduce food and biofuel production, but the underlying mechanisms remain elusive. The unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii is a superior model to study heat responses in photosynthetic cells due to its fast growth rate, many similarities in cellular processes to land plants, simple and sequenced genome, and ample genetic and genomics resources. Chlamydomonas grows in light by photosynthesis and/or with the externally supplied organic carbon source, acetate. Most of the published research about Chlamydomonas heat responses used acetate-containing medium. Understanding how organic carbon sources affect heat responses is important for the algal industry but understudied. We cultivated Chlamydomonas wild-type cultures under highly controlled conditions in photobioreactors at control of 25°C, moderate high temperature of 35°C, or acute high temperature of 40°C with and without constant acetate supply for 1- or 4-days. Our results showed that 35°C increased algal growth with constant acetate supply but reduced algal growth without sufficient acetate. The overlooked and dynamic effects of 35°C could be explained by induced carbon metabolism, including acetate uptake and assimilation, glyoxylate cycle, gluconeogenesis pathways, and glycolysis. Acute high temperature at 40°C for more than 2 days was lethal to algal cultures with and without constant acetate supply. Our research provides insights to understand algal heat responses and help improve thermotolerance in photosynthetic cells. Highlight We revealed the overlooked, dynamic effects of moderate high temperature in algae depending on carbon availability and demonstrated the importance of carbon metabolism in thermotolerance of photosynthetic cells.

Abstract An explosion of sequenced genomes and predicted proteomes enabled by low cost deep sequencing has revolutionized biology. Unfortunately, protein functional annotation is more complex, and has not kept pace with the sequencing revolution. We identified unannotated proteins in three model organisms representing distinct parts of the green lineage (Viridiplantae); Arabidopsis thaliana (dicot), Setaria viridis (monocot), and Chlamydomonas reinhardtii (Chlorophyte alga). Using similarity searching we found the subset of unannotated proteins that were conserved between these species and defined them as Deep Green proteins. Informatic, genomic, and structural predictions were leveraged to begin inferring functional information about Deep Green genes and proteins. The Deep Green set was enriched for proteins with predicted chloroplast targeting signals that are predictive of photosynthetic or plastid functions. Strikingly, structural predictions using AlphaFold and comparisons to known structures show that a significant proportion of Deep Green proteins may possess novel protein tertiary structures. The Deep Green genes and proteins provide a starting resource of high value targets for further investigation of potentially new protein structures and functions that are conserved in the green lineage.