The Antarctic green alga Chlamydomonas sp. UWO241 (UWO241) was isolated from the deep photic zone of a permanently Antarctic ice-covered lake. Adaptation to permanent low temperatures, hypersalinity, and extreme shade has resulted in survival strategies in this halotolerant psychrophile. One of the most striking phenotypes of UWO241 is an altered photosystem I (PSI) organization and constitutive PSI cyclic electron flow (CEF). To date, little attention has been paid to CEF during long-term stress acclimation and the consequences of sustained CEF in UWO241 are not known. In this study, we combined photobiology, proteomics, and metabolomics to understand the underlying role of sustained CEF in high salinity stress acclimation. High salt-grown UWO241 exhibited increased thylakoid proton motive flux and an increased capacity for NPQ. A Bestrophin-like Cl- channel was identified in the whole cell proteomes and transcriptome of UWO241 which likely supports ion homeostasis during high transthylakoid pH. Under high salt, a significant proportion of the upregulated enzymes were associated with the Calvin Benson Bassham Cycle, secondary metabolite biosynthesis, and protein translation. Two key enzymes of the Shikimate pathway, DAHP synthase and chorismate synthase, were also upregulated, as well as indole-3-glycerol phosphate synthase, an enzyme involved in biosynthesis of L-tryptophan and indole acetic acid. In addition, several compatible solutes (glycerol, proline, sucrose) accumulated to high levels in high salt-grown UWO241 cultures. We suggest that UWO241 maintains constitutively high CEF with associated PSI-cytb6f supercomplex to support robust growth and strong photosynthetic capacity under a constant growth regime of low temperatures and high salinity.

Abstract The perennially ice-covered Lake Bonney in Antarctica has been deemed a natural laboratory for studying life at the extreme. Photosynthetic algae dominate the lake food webs and are adapted to a multitude of extreme conditions including perpetual shading even at the height of the austral summer. Here we examine how the unique light environment in Lake Bonney influences the physiology of two Chlamydomonas species. Chlamydomonas priscuii is found exclusively in the deep photic zone where is receives very low light levels biased in the blue part of the spectrum (400-500 nm). In contrast, Chlamydomonas sp. ICE-MDV is represented at various depths within the water column (including the bright surface waters), and it receives a broad range of light levels and spectral wavelengths. The close phylogenetic relationship and psychrophilic character of both species makes them an ideal system to study the effects of light quality and quantity on chlorophyll biosynthesis and photosynthetic performance in extreme conditions. We show that the shade-adapted C. priscuii exhibits a decreased ability to accumulate chlorophyll and severe photoinhibition when grown under red light compared to blue light. These effects are particularly pronounced under red light of higher intensity, suggesting a loss of capability to acclimate to varied light conditions. In contrast, ICE-MDV has retained the ability to synthesize chlorophyll and maintain photosynthetic efficiency under a broader range of light conditions. Our findings provide insights into the mechanisms of photosynthesis under extreme conditions, and have implications on algal survival in changing conditions of Antarctic ice-covered lakes.

Abstract The Antarctic green alga Chlamydomonas priscuii is an obligate psychrophile and an emerging model for photosynthetic adaptation to extreme conditions. Endemic to the ice-covered Lake Bonney, this alga thrives at highly unusual light conditions characterized by very low light irradiance (<15 μmol m -2 s -1 ), a narrow wavelength spectrum enriched in blue light, and an extreme photoperiod. Genome sequencing of C. priscuii exposed an unusually large genome, with hundreds of highly similar gene duplicates and expanded gene families, some of which could be aiding its survival in extreme conditions. In contrast to the described expansion in the genetic repertoire in C. priscuii , here we suggest that the gene family encoding for photoreceptors is reduced when compared to related green algae. This alga also possesses a very small eyespot and exhibits an aberrant phototactic response, compared to the model Chlamydomonas reinhardtii . We also investigated the genome and behaviour of the closely related psychrophilic alga Chlamydomonas sp. ICE-MDV, that is found throughout the photic zone of Lake Bonney and is naturally exposed to higher light levels. Our analyses revealed a photoreceptor gene family and a robust phototactic response similar to those in the model Chlamydomonas reinhardtii . These results suggest that the aberrant phototactic response in C. priscuii is a result of life under extreme shading rather than a common feature of all psychrophilic algae. We discuss the implications of these results on the evolution and survival of shade adapted polar algae.