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.

The green alga Chlamydomonas is widely used as an experimental model system for studies in cellular and molecular biology, and in particular plant molecular biology. This book is the only single modern compendium of information on its biology and in particular its molecular biology and genetics. Included in addition to much information on the basic biology is material of a very practical nature, namely, methods for culture, preservation of cultures, preparation of media, lists of inhibitors and other additives to culture media, help with common laboratory problems such as contamination, student demonstrations, and properties of particular strains and mutants. Casual users as well as specialists will find the book to be useful in many ways. Key Features * Provides access to previously unpublished data from genetic analysis * Provides descriptions of mutant strains * Depicts summary tables comparing properties of different species and their mutant strains * Explains detailed methods for laboratory procedures of general utility * Furnishes comparisons of culture media * Presents lists of inhibitors, mutagens, and other additives to culture media * Assists with common laboratory problems such as contamination and storage of strains * Demonstrates protocols for laboratory demonstrations available for undergraduate teaching.

Bombardment of three mutants of the chloroplast atpB gene of Chlamydomonas reinhardtii with high-velocity tungsten microprojectiles that were coated with cloned chloroplast DNA carrying the wild-type gene permanently restored the photosynthetic capacity of the algae. In most transformants of one of the mutants, a fragment with a 2.5-kilobase deletion was restored to normal size by a homologous replacement event; in about 25 percent of the transformants the restored restriction fragment was 50 to 100 base pairs smaller or larger than that of wild type. About one-fourth of the transformants of this mutant contained unintegrated donor plasmid when first examined. This plasmid persisted in four different transformants after 65 cell generations of continuous liquid culture but was lost from all transformants maintained on plates of selective medium. The restored wild-type atpB gene remains in all transformants as an integral part of the chloroplast genome and is expressed and inherited normally.

The unicellular green alga Chlamydomonas offers a simple life cycle, easy isolation of mutants, and a growing array of tools and techniques for molecular genetic studies. Among the principal areas of current investigation using this model system are flagellar structure and function, genetics of basal bodies (centrioles), chloroplast biogenesis, photosynthesis, light perception, cell-cell recognition, and cell cycle control. A genome project has begun with compilation of expressed sequence tag data and gene expression studies and will lead to a complete genome sequence. Resources available to the research community include wild-type and mutant strains, plasmid constructs for transformation studies, and a comprehensive on-line database.

Abstract Chlamydomonas reinhardtii is a unicellular eukaryotic alga possessing a single chloroplast that is widely used as a model system for the study of photosynthetic processes. This report analyzes the surprising structural and evolutionary features of the completely sequenced 203,395-bp plastid chromosome. The genome is divided by 21.2-kb inverted repeats into two single-copy regions of ∼80 kb and contains only 99 genes, including a full complement of tRNAs and atypical genes encoding the RNA polymerase. A remarkable feature is that >20% of the genome is repetitive DNA: the majority of intergenic regions consist of numerous classes of short dispersed repeats (SDRs), which may have structural or evolutionary significance. Among other sequenced chlorophyte plastid genomes, only that of the green alga Chlorella vulgaris appears to share this feature. The program MultiPipMaker was used to compare the genic complement of Chlamydomonas with those of other chloroplast genomes and to scan the genomes for sequence similarities and repetitive DNAs. Among the results was evidence that the SDRs were not derived from extant coding sequences, although some SDRs may have arisen from other genomic fragments. Phylogenetic reconstruction of changes in plastid genome content revealed that an accelerated rate of gene loss also characterized the Chlamydomonas/Chlorella lineage, a phenomenon that might be independent of the proliferation of SDRs. Together, our results reveal a dynamic and unusual plastid genome whose existence in a model organism will allow its features to be tested functionally.