Chlamydomonas reinhardtii is a unicellular green alga whose lineage diverged from land plants over 1 billion years ago. It is a model system for studying chloroplast-based photosynthesis, as well as the structure, assembly, and function of eukaryotic flagella (cilia), which were inherited from the common ancestor of plants and animals, but lost in land plants. We sequenced the ∼120-megabase nuclear genome of Chlamydomonas and performed comparative phylogenomic analyses, identifying genes encoding uncharacterized proteins that are likely associated with the function and biogenesis of chloroplasts or eukaryotic flagella. Analyses of the Chlamydomonas genome advance our understanding of the ancestral eukaryotic cell, reveal previously unknown genes associated with photosynthetic and flagellar functions, and establish links between ciliopathy and the composition and function of flagella.

Diatoms optimize their photosynthetic efficiency via extensive energetic exchanges between plastids and mitochondria. The proportion of planetary primary production performed by diatoms in today's oceans is roughly equivalent to that of terrestrial rainforests. Efficient conversion of CO2 into organic matter during photosynthesis requires tight control of the ATP/NADPH ratio. Here Chris Bowler and colleagues show that in diatoms this ratio is regulated through extensive energetic exchanges between plastids and mitochondria, rerouting reducing power from plastids towards mitochondria and the import of mitochondrial ATP into the plastid. This mechanism differs from that seen in other photosynthetic organisms, which rely principally on plastid-localized ATP generating processes, and may have contributed to the success of diatoms in the ocean environment. Diatoms are one of the most ecologically successful classes of photosynthetic marine eukaryotes in the contemporary oceans. Over the past 30 million years, they have helped to moderate Earth’s climate by absorbing carbon dioxide from the atmosphere, sequestering it via the biological carbon pump and ultimately burying organic carbon in the lithosphere1. The proportion of planetary primary production by diatoms in the modern oceans is roughly equivalent to that of terrestrial rainforests2. In photosynthesis, the efficient conversion of carbon dioxide into organic matter requires a tight control of the ATP/NADPH ratio which, in other photosynthetic organisms, relies principally on a range of plastid-localized ATP generating processes3,4,5,6. Here we show that diatoms regulate ATP/NADPH through extensive energetic exchanges between plastids and mitochondria. This interaction comprises the re-routing of reducing power generated in the plastid towards mitochondria and the import of mitochondrial ATP into the plastid, and is mandatory for optimized carbon fixation and growth. We propose that the process may have contributed to the ecological success of diatoms in the ocean.

Diatoms are prominent phytoplanktonic organisms that contribute around 40% of carbon assimilation in the oceans. They grow and perform optimally in variable environments, being able to cope with unpredictable changes in the amount and quality of light. The molecular mechanisms regulating diatom light responses are, however, still obscure. Using knockdown Phaeodactylum tricornutum transgenic lines, we reveal the key function of a member of the light-harvesting complex stress-related (LHCSR) protein family, denoted LHCX1, in modulation of excess light energy dissipation. In contrast to green algae, this gene is already maximally expressed in nonstressful light conditions and encodes a protein required for efficient light responses and growth. LHCX1 also influences natural variability in photoresponse, as evidenced in ecotypes isolated from different latitudes that display different LHCX1 protein levels. We conclude, therefore, that this gene plays a pivotal role in managing light responses in diatoms.

Absorption of light in excess of the capacity for photosynthetic electron transport is damaging to photosynthetic organisms. Several mechanisms exist to avoid photodamage, which are collectively referred to as nonphotochemical quenching. This term comprises at least two major processes. State transitions (qT) represent changes in the relative antenna sizes of photosystems II and I. High energy quenching (qE) is the increased thermal dissipation of light energy triggered by lumen acidification. To investigate the respective roles of qE and qT in photoprotection, a mutant (npq4 stt7-9) was generated in Chlamydomonas reinhardtii by crossing the state transition-deficient mutant (stt7-9) with a strain having a largely reduced qE capacity (npq4). The comparative phenotypic analysis of the wild type, single mutants, and double mutants reveals that both state transitions and qE are induced by high light. Moreover, the double mutant exhibits an increased photosensitivity with respect to the single mutants and the wild type. Therefore, we suggest that besides qE, state transitions also play a photoprotective role during high light acclimation of the cells, most likely by decreasing hydrogen peroxide production. These results are discussed in terms of the relative photoprotective benefit related to thermal dissipation of excess light and/or to the physical displacement of antennas from photosystem II.

Cyclic electron flow (CEF), one of the major alternative electron transport pathways to the primary linear electron flow (LEF) in chloroplasts has been discovered in the middle of the last century. It is defined as a return of the reductants from the acceptor side of the Photosystem I (PSI) to the pool of its donors via the cytochrome b6f, and has proven essential for photosynthesis. However, despite many efforts aimed at its characterisation, the pathway and regulation of CEF remain equivocal, and its physiological significance remains to be properly defined. Here we use novel spectroscopic approaches to measure CEF in transitory conditions in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. We show that CEF operates at the same maximal rate regardless of the oxygen concentration, and that the latter influences LEF, rather than CEF in vivo, which questions the recent hypotheses about the CEF supercomplex formation. We further reveal that the pathways proposed for CEF in the literature are inconsistent with the kinetic information provided by our measurements. We finally provide cues on the regulation of CEF by light.