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.

Members of the plant NITRATE TRANSPORTER 1/PEPTIDE TRANSPORTER (NRT1/PTR) family display protein sequence homology with the SLC15/PepT/PTR/POT family of peptide transporters in animals. In comparison to their animal and bacterial counterparts, these plant proteins transport a wide variety of substrates: nitrate, peptides, amino acids, dicarboxylates, glucosinolates, IAA, and ABA. The phylogenetic relationship of the members of the NRT1/PTR family in 31 fully sequenced plant genomes allowed the identification of unambiguous clades, defining eight subfamilies. The phylogenetic tree was used to determine a unified nomenclature of this family named NPF, for NRT1/PTR FAMILY. We propose that the members should be named accordingly: NPFX.Y, where X denotes the subfamily and Y the individual member within the species.

Summary Nitrate is an essential nutrient, and is involved in many adaptive responses of plants, such as localized proliferation of roots, flowering or stomatal movements. How such nitrate‐specific mechanisms are regulated at the molecular level is poorly understood. Although the Arabidopsis ANR1 transcription factor appears to control stimulation of lateral root elongation in response to nitrate, no regulators of nitrate assimilation have so far been identified in higher plants. Legume‐specific symbiotic nitrogen fixation is under the control of the putative transcription factor, NIN, in Lotus japonicus . Recently, the algal homologue NIT2 was found to regulate nitrate assimilation. Here we report that Arabidopsis thaliana NIN‐like protein 7 (NLP7) knockout mutants constitutively show several features of nitrogen‐starved plants, and that they are tolerant to drought stress. We show that nlp7 mutants are impaired in transduction of the nitrate signal, and that the NLP7 expression pattern is consistent with a function of NLP7 in the sensing of nitrogen. Translational fusions with GFP showed a nuclear localization for the NLP7 putative transcription factor. We propose NLP7 as an important element of the nitrate signal transduction pathway and as a new regulatory protein specific for nitrogen assimilation in non‐nodulating plants.

We have developed a nuclear transformation system for Chlamydomonas reinhardtii, using micro-projectile bombardment to introduce the gene encoding nitrate reductase into a nit1 mutant strain which lacks nitrate reductase activity. By using either supercoiled or linear plasmid DNA, transformants were recovered consistently at a low efficiency, on the order of 15 transformants per microgram of plasmid DNA. In all cases the transforming DNA was integrated into the nuclear genome, usually in multiple copies. Most of the introduced copies were genetically linked to each other, and they were unlinked to the original nit1 locus. The transforming DNA and nit+ phenotype were stable through mitosis and meiosis, even in the absence of selection. nit1 transcripts of various sizes were expressed at levels equal to or greater than those in wild-type nit+ strains. In most transformants, nitrate reductase enzyme activity was expressed at approximately wild-type levels. In all transformants, nit1 mRNA and nitrate reductase enzyme activity were repressed in cells grown on ammonium medium, showing that expression of the integrated nit1 genes was regulated normally. When a second plasmid with a nonselectable gene was bombarded into the cells along with the nit1 gene, transformants carrying DNA from both plasmids were recovered. In some cases, expression of the unselected gene could be detected. With the advent of nuclear transformation in Chlamydomonas, it becomes the first photosynthetic organism in which both the nuclear and chloroplast compartments can be transformed.

Abstract Interactions between algae and bacteria are widespread in aquatic and terrestrial ecosystems and play fundamental roles in nutrient cycling and biomass production. However, the chemical basis for many of these interactions is poorly characterized and understood. Recent studies have shown that the plant auxin indole acetic acid (IAA) can mediate chemical crosstalk between algae and bacteria, resembling its role in plant-bacterial associations. While algae have been shown to produce IAA, molecular pathways for IAA synthesis in algae have remained elusive. Here, we report a mechanism for IAA production from L-tryptophan mediated by the extracellular enzyme L-amino acid oxidase (LAO1) in the model alga Chlamydomonas reinhardtii . Under inorganic nitrogen limitation but in the presence of L-tryptophan and other amino acids, high levels of IAA are generated in an LAO1-dependent manner. Thus, LAO1 plays a dual role in scavenging nitrogen from L-amino acids and in producing the phytohormone IAA, which subsequently inhibits algal cell multiplication and chlorophyll degradation. We show that these inhibitory effects can be relieved in the presence of Methylobacterium spp., well-known plant growth-promoting bacteria (PGPB), whose growth is mutualistically enhanced by the presence of the alga. These findings reveal a complex interplay of microbial auxin production and degradation by algal-bacterial consortia under nitrogen limitation and draws attention to potential ecophysiological roles of terrestrial microalgae and PGPB in association with land plants.

Abstract A multispecies bacterial community including Microbacterium fakhimi sp. nov., Stenotrophomonas goyi sp. nov., and Bacillus cereus greatly promoted sustained hydrogen production by the microalga Chlamydomonas reinhardtii when cocultivated in mannitol- and yeast extract-containing medium (up to 313 mL·L -1 ). Alga viability was also largely prolonged in the cocultures (>45 days) without any nutrient supplementation. Among the bacterial community, Microbacterium fakhimi sp. nov. was the main responsible for the hydrogen production improvement. Nonetheless, the use of the entire bacterial community allowed a better growth of the alga during hydrogen production. Chlamydomonas reinhardtii and Microbacterium fakhimi sp. nov. established a mutualistic association, based on the release of ammonium and acetic acid from the bacterium, while the alga provided sulfur-containing metabolites and complemented the bacterial auxotrophy for biotin and thiamine. This study uncovers the potential of the Chlamydomonas-bacteria consortia for durable and stable H 2 production while allowing the simultaneous production of biomass.