Pyruvate:ferredoxin oxidoreductase (PFO) and iron only hydrogenase ([Fe]-HYD) are common enzymes among eukaryotic microbes that inhabit anaerobic niches. Their function is to maintain redox balance by donating electrons from food oxidation via ferredoxin (Fd) to protons, generating H2 as a waste product. Operating in series, they constitute a soluble electron transport chain of one-electron transfers between FeS clusters. They fulfill the same function - redox balance - served by two electron-transfers in the NADH- and O2-dependent respiratory chains of mitochondria. Although they possess O2-sensitive FeS clusters, PFO, Fd and [Fe]-HYD are also present among numerous algae that produce O2. The evolutionary persistence of these enzymes among eukaryotic aerobes is traditionally explained as enabling facultative anaerobic growth. Here we show that algae express enzymes of anaerobic energy metabolism at ambient O2 levels (21% v/v), Chlamydomonas reinhardtii expresses them with diurnal regulation. High O2 environments arose on Earth only some ~450 million years ago. Gene presence absence and gene expression data indicate that during the transition to high O2 environments and terrestrialization, diverse algal lineages retained enzymes of Fd-dependent one-electron based redox balance, while the land plant and land animal lineages underwent irreversible specialization to redox balance involving the O2-insensitive two-electron carrier NADH.

Trichomonas vaginalis is one of the most widespread, sexually transmitted pathogens. The infection involves a morphological switch from a free-swimming pyriform trophozoite to an amoeboid cell upon adhesion to host epithelial cells. While details on how the switch is induced and to what proteins of the host surface the parasite adheres remain poorly characterized, several surface proteins of the parasite itself have been identified as potential candidates. Among those are two expanded protein families that harbor domains that share similarity to functionally investigated surface proteins of prokaryotic oral pathogens; these are the BspA proteins of Bacteroidales and Spirochaetales, and the Pmp proteins of Chlamydiales. We sequenced the transcriptomes of five Trichomonads and screened for the presence of BspA and Pmp domain-containing proteins and tested the ability of individual T. vaginalis candidates to mediate adhesion. Here we demonstrate that (i) BspA and Pmp domain-containing proteins are specifically expanded in T. vaginalis in comparison to other Trichomonads, and that (ii) individual proteins of both families have the ability to increase adhesion performance in a non-virulent T. vaginalis strain and Tetratrichomonas gallinarum, a parasite usually known to infect birds but not humans. Our results initiate the functional characterization of these two broadly distributed protein families, whose origin we trace back to the origin of Trichomonads themselves.

Abstract Elysia chlorotica is a kleptoplastic sea slug that preys on Vaucheria litorea , stealing its plastids which then continue to photosynthesize for months inside the animal cells. We investigated the native properties of V. litorea plastids to understand how they withstand the rigors of photosynthesis in isolation. Transcription of specific genes in laboratory-isolated V. litorea plastids was monitored up to seven days. The involvement of plastid-encoded FtsH, a key plastid maintenance protease, in recovery from photoinhibition in V. litorea was estimated in cycloheximide-treated cells. In vitro comparison of V. litorea and spinach thylakoids was applied to investigate ROS formation in V. litorea . Isolating V. litorea plastids triggered upregulation of ftsH and translation elongation factor EF-Tu ( tufA ). Upregulation of FtsH was also evident in cycloheximide-treated cells during recovery from photoinhibition. Charge recombination in PSII of V. litorea was found to be fine-tuned to produce only small quantities of singlet oxygen ( 1 O 2 ). Our results support the view that the genetic characteristics of the plastids themselves are crucial in creating a photosynthetic sea slug. The plastid’s autonomous repair machinery is likely enhanced by low 1 O 2 production and by upregulation of FtsH in the plastids. Highlight Isolated Vaucheria litorea plastids exhibit upregulation of tufA and ftsH , key plastid maintenance genes, and produce only little singlet oxygen. These factors likely contribute to plastid longevity in kleptoplastic slugs.

While core components of plastid protein import (Toc and Tic) and the principle of using N-terminal targeting sequences (NTS) are conserved, lineage-specific differences are known. Rhodophytes and glaucophytes carry a conserved NTS motif, which was lost in the green lineage that also added novel proteins to Toc and Tic. Here we compare the components of plastid protein import and generated RNA-Seq, pigment profile and trans-electron microscopy data based on high-light stress from representatives of the three archaeplastidal groups. In light of plastid protein targeting, we compare the response to high-light stress of archaeplastidal representatives based on RNA-Seq, pigment profile and trans-electron microscopy data. Like land plants, the chlorophyte Chlamydomonas reinhardtii displays a broad respond to high-light stress, not observed to the same degree in the glaucophyte Cyanophora paradoxa or the rhodophyte Porphyridium purpureum. We find that only the green lineage encodes a conserved duplicate of the outer plastid membrane protein channel Oep80, namely Toc75 and suggest that the ability to respond to high-light stress entailed evolutionary changes in protein import, including the departure from phenylalanine-based targeting and the introduction of a green-specific Toc75 next to other import components unique to Chloroplastida. One consequence of relaxed NTS specificity was the origin of dual-targeting of plastid derived proteins to mitochondria and vice versa, using a single ambiguous NTS. Changes in the plastid protein import enabled the green lineage to import proteins at a more efficient rate, including those required for high-light stress response, a prerequisite for the colonization of land.