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.

Pro has been shown to play an important role in ameliorating environmental stress in plants and microorganisms, including heavy metal stress. Here, we describe the effects of the expression of a mothbean Δ1-pyrroline-5-carboxylate synthetase (P5CS) gene in the green microalga Chlamydomonas reinhardtii. We show that transgenic algae expressing the mothbean P5CS gene have 80% higher free-Pro levels than wild-type cells, grow more rapidly in toxic Cd concentrations (100 μM), and bind fourfold more Cd than wild-type cells. In addition, Cd-K edge extended x-ray absorption fine structure studies indicated that Cd does not bind to free Pro in transgenic algae with increased Pro levels but is coordinated tetrahedrally by sulfur of phytochelatin. In contrast to P5CS-expressing cells, Cd is coordinated tetrahedrally by two oxygen and two sulfur atoms in wild-type cells. Measurements of reduced/oxidized GSH ratios and analyses of levels of malondialdehyde, a product of the free radical damage of lipids, indicate that free Pro levels are correlated with the GSH redox state and malondialdehyde levels in heavy metal–treated algae. These results suggest that the free Pro likely acts as an antioxidant in Cd-stressed cells. The resulting increased GSH levels facilitate increased phytochelatin synthesis and sequestration of Cd, because GSH–heavy metal adducts are the substrates for phytochelatin synthase.

There is growing recognition that microalgae are among the most productive biological systems for generating biomass and capturing carbon. Further efficiencies are gained by harvesting 100% of the biomass, much more than is possible in terrestrial biomass production systems. Micro-algae's ability to transport bicarbonate into cells makes them well suited to capture carbon. Carbon dioxide—or bicarbonate-capturing efficiencies as high as 90% have been reported in open ponds. The scale of microalgal production facilities necessary to capture carbon-dioxide (CO2) emissions from stationary point sources such as power stations and cement kilns is also manageable; thus, microalgae can potentially be exploited for CO2 capture and sequestration. In this article, I discuss possible strategies using microalgae to sequester CO2 with reduced environmental consequences.

Over 50% of the energy losses associated with the conversion of solar energy into chemical energy during photosynthesis are attributed to kinetic constraints between the fast rate of photon capture by the light harvesting apparatus and the slower downstream rate of photosynthetic electron transfer. At full sunlight intensities, energy flux from the light harvesting antennae to the reaction centers may be 100-folds greater than the overall linear electron flow resulting in the dissipation of up to 75% of the captured energy as heat or fluorescence. One possible means to couple energy capture and photosynthetic electron transfer more efficiently is to reduce the optical cross-section of the light harvesting antennae. We show that by partially reducing chlorophyll b levels in the green alga, Chlamydomonas reinhardtii, we can tune the peripheral light harvesting antennae size for increased photosynthetic efficiency resulting in more than a two-fold increase in photosynthetic rate at high light intensities and a 30% increase in growth rate at saturating light intensities. Unlike chlorophyll b-less mutants which lack the peripheral light harvesting antennae; transgenics with intermediate sized peripheral antennae have the advantage that they can carry out state transitions facilitating enhanced cyclic ATP synthesis and have robust zeaxanthin–violaxanthin cycles providing protection from high light levels. It is hypothesized that the large antennae size of wild-type algae and land plants offers a competitive advantage in mixed cultures due to the ability of photosynthetic organisms with large light harvesting antennae to shade competing species and to harvest light at low flux densities.

Abstract Multiple Wolbachia strains can block pathogen infection, replication, and/or transmission in Aedes aegypti mosquitoes under both laboratory and field conditions. However, Wolbachia effects on pathogens can be highly variable across systems and the factors governing this variability are not well understood. It is increasingly clear that the mosquito host is not a passive player in which Wolbachia governs pathogen transmission phenotypes; rather, the genetics of the host can significantly modulate Wolbachia -mediated pathogen blocking. Specifically, previous work linked variation in Wolbachia pathogen blocking to polymorphisms in the mosquito alpha-mannosidase 2 (αMan2) gene. Here we use CRISPR-Cas9 mutagenesis to functionally test this association. We developed αMan2 knockouts and examined effects on both Wolbachia and virus levels, using both dengue virus (DENV; Flaviviridae ) and Mayaro virus (MAYV; Togaviridae ). Wolbachia titers were significantly elevated in αMan2 knockout (KO) mosquitoes, but there were complex interactions with virus infection and replication. In Wolbachia -uninfected mosquitoes, the αMan2 KO mutation was associated with decreased DENV titers, but in a Wolbachia -infected background, the αMan2 KO mutation significantly modulated virus blocking. In contrast, the αMan2 KO mutation significantly increased MAYV replication in Wolbachia -uninfected mosquitoes and did not affect Wolbachia -mediated virus blocking. These results demonstrate that αMan2 modulates arbovirus infection in Ae. aegypti mosquitoes in a pathogen- and Wolbachia -specific manner, and that Wolbachia -mediated pathogen blocking is a complex phenotype dependent on the mosquito host genotype and the pathogen. These results have significant impact for the design and use of Wolbachia -based strategies to control vector-borne pathogens.