Abstract Euglena gracilis is a well-studied biotechnologically exploitable phototrophic flagellate harbouring secondary green plastids. Here we describe its plastid proteome obtained by high-resolution proteomics. We identified 1,345 candidate plastid proteins and assigned functional annotations to 774 of them. More than 120 proteins are affiliated neither to the host lineage nor the plastid ancestor and may represent horizontal acquisitions from various algal and prokaryotic groups. Reconstruction of plastid metabolism confirms both the presence of previously studied/predicted enzymes/pathways and also provides direct evidence for unusual features of its metabolism including uncoupling of carotenoid and phytol metabolism, a limited role in amino acid metabolism and the presence of two sets of the SUF pathway for FeS cluster assembly. Most significantly, one of these was acquired by lateral gene transfer (LGT) from the chlamydiae. Plastidial paralogs of membrane trafficking-associated proteins likely mediating a poorly understood fusion of transport vesicles with the outermost plastid membrane were identified, as well as derlin-related proteins that potentially act as protein translocases of the middle membrane, supporting an extremely simplified TIC complex. The proposed innovations may be also linked to specific features of the transit peptide-like regions described here. Hence the Euglena plastid is demonstrated to be a product of several genomes and to combine novel and conserved metabolism and transport processes.

Abstract The Arctic Ocean is being impacted by warming temperatures, increasing freshwater and highly variable ice conditions. The microalgal communities underpinning Arctic marine food webs, once thought to be dominated by diatoms, include a phylogenetically diverse range of small algal species, whose biology remains poorly understood. Here, we present genome sequences of a cryptomonad, a haptophyte, a chrysophyte, and a pelagophyte, isolated from the Arctic water column and ice. Comparing protein family distributions and sequence similarity across a densely-sampled set of algal genomes and transcriptomes, we note striking convergences in the biology of distantly related small Arctic algae, compared to non-Arctic relatives; although this convergence is largely exclusive of Arctic diatoms. Using high-throughput phylogenetic approaches, incorporating environmental sequence data from Tara Oceans, we demonstrate that this convergence was partly explained by horizontal gene transfers (HGT) between Arctic species, in over at least 30 other discrete gene families, and most notably in ice-binding domains (IBD). These Arctic-specific genes have been repeatedly transferred between Arctic algae, and are independent of equivalent HGTs in the Antarctic Southern Ocean. Our data provide insights into the specialized Arctic marine microbiome, and underlines the role of geographically-limited HGT as a driver of environmental adaptation in eukaryotic algae.

Abstract Dinoflagellates are a diverse group of ecologically significant micro-eukaryotes, prone to the loss and replacement of their plastids via serial endosymbiosis. One such replacement took place in the ancestors of the Kareniaceae, which harbor haptophyte-derived plastids containing the pigment fucoxanthin, instead of the ancestral peridinin dinoflagellate plastid. The metabolic functions of the fucoxanthin plastid are performed by a diverse range of nucleus-encoded and plastid-targeted proteins, which may originate from the haptophyte ancestor of the fucoxanthin plastid, the peridinin-containing ancestor of the dinoflagellate host, and/or from lateral gene transfers. However, the evolutionary composition of fucoxanthin plastid proteomes across the diversity of kareniacean dinoflagellates remains poorly understood. Here, we determine the total composition of the plastid proteomes of seven distantly-related kareniacean dinoflagellates, including newly-sequenced members of three genera ( Karenia, Karlodinium , and Takayama ). Using a custom plastid-targeting predictor, automatic single-gene tree building and phylogenetic sorting of plastid-targeted proteins, we project relatively limited (~10%) and functionally distinctive contributions of the haptophyte endosymbiont to the fucoxanthin plastid proteome, in comparison to plastid-targeted proteins of dinoflagellate host origin. Considering a concatenated multigene phylogeny of haptophyte-derived plastid proteins, we show that the haptophyte order Chrysochromulinales is the closest living relative of the fucoxanthin plastid donor. We additionally perform detailed analyses of the N-terminal targeting sequences of kareniacean plastid signal peptides, reporting a surprisingly high sequence conservation. Finally, considering planetary-scale distributions of key kareniacean genera and haptophyte orders from Tara Oceans, we suggest ecological and mechanistic factors accompanying the endosymbiotic acquisition of the fucoxanthin plastid.

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.

Diatoms are major players in the global carbon cycle, and their metabolism is affected by ocean conditions. Understanding the impact of changing inorganic nutrients in the oceans on diatoms is crucial, given the changes in global carbon dioxide levels. Here, we present a genome-scale metabolic model ( i MK1961) for Cylindrotheca closterium , an in silico resource to understand uncharacterized metabolic functions in this ubiquitous diatom. i MK1961 represents the largest diatom metabolic model to date, comprising 1961 open reading frames and 6718 reactions. With i MK1961, we identified the metabolic response signature to cope with drastic changes in growth conditions. Comparing model predictions with Tara Oceans transcriptomics data unraveled C. closterium ’s metabolism in situ. Unexpectedly, the diatom only grows photoautotrophically in 21% of the sunlit ocean samples, while the majority of the samples indicate a mixotrophic (71%) or, in some cases, even a heterotrophic (8%) lifestyle in the light. Our findings highlight C. closterium’ s metabolic flexibility and its potential role in global carbon cycling.

Abstract Background: Euglenophytes are an interesting algal group that emerged within the ancestrally plastid-lacking Euglenozoa phylum by acquiring a plastid from a green algal donor. However, the knowledge of euglenophyte plastid biology and evolution is highly incomplete, partly because euglenophytes have so far been little studied on a genome- and transcriptome-wide scale. Transcriptome data from only a single species, Euglena gracilis , have been exploited to functional insights, but aspects of the plastid biology have been largely neglected. Results: To expand the resources for studying euglenophyte biology and to improve our knowledge of the euglenophyte plastid function and evolution, we sequenced and analysed the transcriptome of the non-photosynthetic species Euglena longa . The transcriptomic data confirmed the absence of genes for the photosynthetic machinery in this species, but provided a number of candidate plastid-localized proteins bearing the same type of N-terminal bipartite topogenic signals (BTSs) as known from the photosynthetic species E. gracilis . Further comparative analyses using transcriptome assemblies available for E. gracilis and two additional photosynthetic euglenophytes of the genus Eutreptiella enabled us to unveil several salient aspects of the basic plastid infrastructure in euglenophytes. First, a number of plastidial proteins seem to reach the organelle as C-terminal translational fusions with other BTS-bearing proteins. Second, the conventional eubacteria-derived plastidial ribosomal protein L24 is missing and seems to have been replaced by very different homologs of the archaeo-eukaryotic origin. Third, no homologs of any key component of the TOC/TIC system (translocon of the outer/inner chloroplast membrane) and the plastid division apparatus are discernible in euglenophytes, and the machinery for intraplastidial protein targeting has been simplified by the loss of the cpSRP/cpFtsY system and the SEC2 translocon. Lastly, euglenophytes proved to encode a plastid-targeted homolog of the termination factor Rho horizontally acquired from a Lambdaproteobacteria-related donor, suggesting an unprecedented modification of the transcription mechanism in their plastid. Conclusions: Our study suggests that the euglenophyte plastid has been substantially remodelled comparted to its green algal progenitor by both loss of original and acquisition of novel molecular components, making it a particularly interesting subject for further studies.

Endosymbioses necessitate functional cooperation of cellular compartments to avoid pathway redundancy and streamline the control of biological processes. To gain insight into the metabolic compartmentation in chromerids, phototrophic relatives to apicomplexan parasites, we prepared a reference set of proteins probably localized to mitochondria, cytosol and the plastid, taking advantage of available genomic and transcriptomic data. Training of prediction algorithms with the reference set now allows a genome-wide analysis of protein localization in C. velia and V. brassicaformis . We confirm that the chromerid plastids house enzymatic pathways needed for their maintenance and photosynthetic activity, but for carbon and nitrogen allocation, metabolite exchange is necessary with the cytosol and mitochondria. This indeed suggests that the regulatory mechanisms operate in the cytosol to control carbon metabolism based on the availability of both light and nutrients. We discuss that this arrangement is largely shared with apicomplexans and dinoflagellates, possibly stemming from a common ancestral metabolic architecture, and supports the mixotrophy of the chromerid algae.* 2-OG : 2-oxoglutarate, ACP : acyl-carrier protein, ALA : delta-aminolevulinic acid, BTS : bipartite (plastid) targeting signal, Chl a : chlorophyll a , DGDG/MGDG : di-/monogalactosyl-diacylglycerolipid, DHAP : dihydroxyacetone phosphate, Ery-4P : erythrose 4-phosphate, FAD : flavin adenine dinucleotide, GS/GOGAT : glutamine synthase / glutamine oxoglutarate aminotransferase, IMS : inter-membrane space, MEP : methyl-D-erythritol 4-phosphate, mTP : mitochondrial transit peptide, OAA : oxaloacetate, orn : ornithine, PEP : phospho enol pyruvate, PQ : plastoquinol, PRPP : 5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate, pyr : pyruvate, Ru-5P : ribulose 5-phosphate, TCA : tricarboxylic acid, THF : tetrahydrofolate, UQ : ubiquinone.

Ocean microbes are the foundation of marine food webs, regulating carbon cycling and ecosystem dynamics. How they proliferate, die, move, and interact is regulated by physical, chemical, and biological factors that are dynamic and challenging to quantify in the natural environment. A significant limitation in many marine field studies is the inability to continuously sample the ever-changing ocean environment over space and time. In this study, we integrated spatiotemporal and multi-omic sample collection in an intensive sampling effort of phytoplankton ecology in Monterey Bay, California during the spring of 2021. Sampling methods coupled: (1) manual shipboard CTD sampling, (2) autonomous sampling using a Long-Range Autonomous Underwater Vehicle (LRAUV) equipped with an Environmental Sampling Processor (ESP), and (3) high-resolution physical measurements by an autonomous vertical profiler (Wirewalker). Sampling occurred as upwelling waned alongside declining domoic acid (DA) and low abundances of toxigenic Pseudo-nitzschia. Conditions needed to spark a widespread and toxic Pseudo-nitzschia bloom were absent, yet low-level DA was driven by similar mechanisms to those causing elevated DA. Three DA biosynthetic intermediate molecules were reported in the environment for the first time. Both shipboard and ESP sampling approaches identified DA biosynthetic gene expression at frontal zones. DA and expression of dabA, the gene encoding the first committed step of DA biosynthesis, were higher in association with recently upwelled water that supplied nutrients for growth and DA biosynthesis. Detection of subtle variations in dab gene expression in response to environmental variation provide a window into the ecological dynamics underpinning major toxic events.

ABSTRACT Metabolic exchange is one of the foundations of symbiotic associations between organisms and is a driving force in evolution. In the ocean, photosymbiosis between heterotrophic host and microalgae is powered by photosynthesis and relies on the transfer of organic carbon to the host (e.g. sugars). Yet, the identity of transferred carbohydrates as well as the molecular mechanisms that drive this exchange remain largely unknown, especially in unicellular photosymbioses that are widespread in the open ocean. Combining genomics, single-holobiont transcriptomics and environmental metatranscriptomics, we revealed the transportome of the marine microalga Phaeocystis in symbiosis within acantharia, with a focus on sugar transporters. At the genomic level, the sugar transportome of Phaeocystis is comparable to non-symbiotic haptophytes. By contrast, we found significant remodeling of the expression of the transportome in symbiotic microalgae compared to the free-living stage. More particularly, 32% of sugar transporter genes were differentially expressed. Several of them, such as GLUTs, TPTs and aquaporins, with glucose, triose-phosphate sugars and glycerol as potential substrates, were upregulated at the holobiont and community level. We also showed that algal sugar transporter genes exhibit distinct temporal expression patterns during the day. This reprogrammed transportome indicates that symbiosis has a major impact on sugar fluxes within and outside the algal cell, and highlights the complexity and the dynamics of metabolic exchanges between partners. This study improves our understanding of the molecular players of the metabolic connectivity underlying the ecological success of planktonic photosymbiosis and paves the way for more studies on transporters across photosymbiotic models.

Summary It has been long hypothesised that mitochondrial reduction is intrinsically related to the remodelling of Fe-S clusters assembly. Yet as our knowledge of divergent free-living protists broadens, so does the spectrum of variability within the range of mitochondrial-related organelles (MROs) fundamental functions. We resolved to high precision the MRO proteome of Paratrimastix pyriformis using Localisation of Organelle Proteins by Isotope Tagging (LOPIT) and demonstrate its role in the synthesis of folate derivates bearing one-carbon (1C) units, its link to the glycine cleavage system (GCS) and their only conceivable role as suppliers for the cytosolic methionine cycle, involved in recycling of S-adenosine methionine. This observation provides congruity to the presence of GCS in MROs of free-living anaerobes and its absence in endobionts, which typically lose the methionine cycle and, in the case of oxymonads, also mitochondria.