Nitrogen (N) is a key nutrient that limits global primary productivity; hence, N-use efficiency is of compelling interest in agriculture and aquaculture. We used Chlamydomonas reinhardtii as a reference organism for a multicomponent analysis of the N starvation response. In the presence of acetate, respiratory metabolism is prioritized over photosynthesis; consequently, the N-sparing response targets proteins, pigments, and RNAs involved in photosynthesis and chloroplast function over those involved in respiration. Transcripts and proteins of the Calvin-Benson cycle are reduced in N-deficient cells, resulting in the accumulation of cycle metabolic intermediates. Both cytosolic and chloroplast ribosomes are reduced, but via different mechanisms, reflected by rapid changes in abundance of RNAs encoding chloroplast ribosomal proteins but not cytosolic ones. RNAs encoding transporters and enzymes for metabolizing alternative N sources increase in abundance, as is appropriate for the soil environmental niche of C. reinhardtii. Comparison of the N-replete versus N-deplete proteome indicated that abundant proteins with a high N content are reduced in N-starved cells, while the proteins that are increased have lower than average N contents. This sparing mechanism contributes to a lower cellular N/C ratio and suggests an approach for engineering increased N-use efficiency.

Significance Eukaryotic algae, which play a fundamental role in global CO 2 fixation, enhance the performance of the carbon-fixing enzyme Rubisco by placing it into an organelle called the pyrenoid. Despite the ubiquitous presence and biogeochemical importance of this organelle, how Rubisco assembles to form the pyrenoid remains a long-standing mystery. Our discovery of an abundant repeat protein that binds Rubisco in the pyrenoid represents a critical advance in our understanding of pyrenoid biogenesis. The repeat sequence of this protein suggests elegant models to explain the structural arrangement of Rubisco enzymes in the pyrenoid. Beyond advances in basic understanding, our findings open doors to the engineering of algal pyrenoids into crops to enhance yields.

Abstract Parkinson’s disease (PD) usually has a late clinical onset. The lack of early biomarkers for the disease represents a major challenge for developing timely treatment interventions. Here, we use an α-synuclein-overexpressing transgenic (Th-1-SNCA-A30P) mouse model of PD to identify appropriate candidate markers in the gut for early stages of PD before hallmark symptoms begin to manifest. A30P mice did not show alterations in gait parameters at 2 months of age, and these mice were therefore defined as pre-symptomatic A30P mice (psA30P). We discovered early functional motility changes in the gut and early molecular dysregulations in the myenteric plexus of psA30P mice by comparative protein and miRNA profiling and cell culture experiments. We found that the proteins neurofilament light chain, vesicle-associated membrane protein 2 and calbindin 2, together with the miRNAs that regulate them, are potential biomarkers of early PD that may facilitate timely treatment and/or prevention of PD in men.

Abstract We have identified the homolog of LOW PSII ACCUMULATION 2 (LPA2) in Chlamydomonas . A Chlamydomonas lpa2 mutant grew slower in low light and was hypersensitive to high light. PSII maximum quantum efficiency was reduced by 38%. Synthesis and stability of newly made PSII core subunits D1, D2, CP43, and CP47 were not impaired. Complexome profiling revealed that in the mutant CP43 was reduced to ∼23%, D1, D2, and CP47 to ∼30% of wild-type levels, while small PSII core subunits and components of the oxygen evolving complex were reduced at most by factor two. PSII supercomplexes, dimers, and monomers were reduced to 7%, 26%, and 60% of wild-type levels, while RC47 was increased ∼6-fold. Our data indicate that LPA2 acts at a step during PSII assembly without which PSII monomers and especially further assemblies become intrinsically unstable and prone to degradation. Levels of ATP synthase and LHCII were 29% and 27% higher in the mutant than in the wild type, whereas levels of the cytochrome b 6 f complex were unaltered. While the abundance of PSI core subunits and antennae hardly changed, LHCI antennae were more disconnected in the lpa2 mutant, presumably as an adaptive response to reduce excitation of PSI. The disconnection of LHCA2,9 together with PSAH and PSAG was the prime response, but independent and additional disconnection of LHCA1,3-8 along with PSAK occurred as well. Finally, based on co-migration profiles, we identified three novel putative PSII associated proteins with potential roles in regulating PSII complex dynamics, assembly, and chlorophyll breakdown. One-sentence summary We provide evidence that the Chlamydomonas LPA2 homolog acts at a step in PSII biogenesis without which PSII monomers and further assemblies become unstable and prone to degradation.

Abstract According to their lifestyle, plant pathogens are divided into biotrophic and necrotrophic organisms. While biotrophic pathogens establish a relationship with living host cells, necrotrophic pathogens rapidly kill host cells and feed on the cell debris. To this end, the necrotrophic ascomycete fungus Botrytis cinerea secretes large amounts of phytotoxic proteins and cell wall degrading enzymes. However, the precise role of these proteins during the infection process is unknown. Here we report on the identification and characterization of the previously unknown toxic protein hypersensitive response inducing protein 1 (Hip1), which induces plant cell death. We found the adoption of a folded protein structure to be a prerequisite for Hip1 to exert its necrosis-inducing activity in Nicotiana benthamiana . Localization and the induction of specific plant responses by Hip1 indicate recognition as pathogen-associated molecular pattern at the plant plasma membrane. Our results demonstrate that recognition of Hip1, even in the absence of obvious enzymatic or poreforming activity, induces strong plant defense reactions eventually leading to plant cell death.

Abstract Botrytis cinerea is a major pathogen of more than 1400 plant species. During infection, the kills host cells during infection and spreads through necrotic tissue, which is believed to be supported by induction of programmed plant cell death. To comprehensively evaluate the contributions of most of the currently known plant cell death inducing proteins (CDIPs) and metabolites for necrotrophic infection, an optimized CRISPR/Cas protocol was established which allowed serial marker-free mutagenesis to generate Botrytis mutants lacking up to 12 different CDIPs. Infection analysis revealed a decrease in virulence with increasing numbers of knockouts, and differences in the effects of knockouts on different host plants. The on planta secretomes obtained from these mutants revealed substantial remaining necrotic activity after infiltration into leaves. Our study has addressed for the first time the functional redundancy of virulence factors of a fungal pathogen, and demonstrates that B. cinerea releases a highly redundant cocktail of proteins and metabolites to achieve necrotrophic infection of a wide variety of host plants.

The ability of plants to cope with cold temperatures relies on their photosynthetic activity. This already demonstrates that the chloroplast is of utmost importance for cold acclimation and acquisition of freezing tolerance. During cold acclimation, the properties of the chloroplast change markedly. To provide the most comprehensive view of the protein repertoire of chloroplast envelope, we analysed this membrane system in Arabidopsis thaliana using MS-based proteomics. Profiling chloroplast envelope membranes was achieved by a cross comparison of protein intensities across plastid and the enriched membrane fraction both under normal and cold conditions. To address envelop localization, multivariable logistic regression models the probabilities for the classification problem. In total, we identified 38 envelope membrane intrinsic or associated proteins exhibiting altered abundance after cold acclimation. These proteins comprise several solute carries, such as the ATP/ADP antiporter NTT2 (substantially increased abundance) or the maltose exporter MEX1 (substantially decreased abundance). Remarkably, analysis of the frost recovery of ntt loss-of-function and mex1 overexpressor mutants confirmed that the comparative proteome is well suited to identify novel key factors involved in cold acclimation and acquisition of freezing tolerance. Moreover, for proteins with known physiological function we propose scenarios explaining their possible role in cold acclimation. Furthermore, spatial proteomics introduces a novel layer of complexity and enabled the identification of proteins differentially localized at the envelope membrane under the changing environmental regime.

The productivity of plants and microalgae needs to be increased to feed the growing world population and to promote the development of a low-carbon economy. This goal can be achieved by improving photosynthesis via genetic engineering. In this study, we have employed the Modular Cloning strategy to overexpress the Calvin-Benson cycle (CBC) enzyme sedoheptulose-1,7 bisphosphatase (SBP1) up to 3-fold in the unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii. The protein derived from the nuclear transgene represented ~0.3% of total cell protein. Photosynthetic rate and growth were significantly increased in SBP1-overexpressing lines under high-light and high-CO2 conditions. Absolute quantification of the abundance of all other CBC enzymes by the QconCAT approach revealed no consistent differences between SBP1-overexpressing lines and the recipient strain. This analysis also revealed that the eleven CBC enzymes represent 11.9% of total cell protein in Chlamydomonas. Here the range of concentrations of CBC enzymes turned out to be much larger than estimated earlier, with a 128-fold difference between the most abundant CBC protein (rbcL) and the least abundant (triose phosphate isomerase). Accordingly, the concentrations of the CBC intermediates are often but not always higher than the binding site concentrations of the enzymes for which they act as substrates. The enzymes with highest substrate to binding site ratios might represent good candidates for overexpression in subsequent engineering steps.

During vegetative growth, biennial sugar beets maintain a steep gradient between the shoot (source) and the sucrose-storing taproot (sink). To shift from vegetative to generative growth, they require a chilling phase, called vernalization. Here, we studied sugar beet sink-source dynamics upon cold temperature-induced vernalization and revealed a pre-flowering taproot sink to source reversal. This transition is induced by transcriptomic and functional reprogramming of sugar beet tissue, resulting in a reversal of flux direction in long distance transport system, the phloem. As a key process for this transition, vacuolar sucrose importers and exporters, BvTST2;1 and BvSUT4, are oppositely regulated, leading to re-mobilization of sugars from taproot storage vacuoles. Concomitant changes in the expression of floral regulator genes suggest that the now deciphered processes are a prerequisite for bolting. Our data may thus serve dissecting metabolic and developmental triggers for bolting, which are potential targets for genome editing or breeding approaches.

Abstract In Chlamydomonas reinhardtii , VIPP1 and VIPP2 play a role in the sensing and coping with membrane stress and in thylakoid membrane biogenesis. To gain more insight into these processes, we aimed to identify proteins interacting with VIPP1/2 in the chloroplast and chose proximity labeling (PL) for this purpose. We used the transient interaction between the nucleotide exchange factor CGE1 and stromal HSP70B as test system. While PL with APEX2 and BioID proved to be inefficient, TurboID resulted in significant biotinylation in vivo . TurboID-mediated PL with VIPP1/2 as baits under ambient and H 2 O 2 stress conditions confirmed known interactions of VIPP1 with VIPP2, HSP70B and CDJ2. Novel proteins in the VIPP1/2 interaction network can be grouped into proteins involved in the biogenesis of thylakoid membrane complexes and the regulation of photosynthetic electron transport. A third group comprises 11 proteins of unknown function whose genes are upregulated under chloroplast stress conditions. We named them VIPP PROXIMITY LABELING (VPL1-11). and confirmed the proximity of VIPP1 and VPL2 in a reciprocal experiment. Our results demonstrate the robustness of TurboID-mediated PL for studying protein interaction networks in the chloroplast of Chlamydomonas and pave the way for analyzing functions of VIPPs in thylakoid biogenesis and stress responses.