Plastid thylakoid architecture optimizes photosynthesis in diatoms

Photosynthesis is a unique process that allows independent colonization of the land by plants and of the oceans by phytoplankton. Although the photosynthesis process is well understood in plants, we are still unlocking the mechanisms evolved by phytoplankton to achieve extremely efficient photosynthesis. Here, we combine biochemical, structural and in vivo physiological studies to unravel the structure of the plastid in diatoms, prominent marine eukaryotes. Biochemical and immunolocalization analyses reveal segregation of photosynthetic complexes in the loosely stacked thylakoid membranes typical of diatoms. Separation of photosystems within subdomains minimizes their physical contacts, as required for improved light utilization. Chloroplast 3D reconstruction and in vivo spectroscopy show that these subdomains are interconnected, ensuring fast equilibration of electron carriers for efficient optimum photosynthesis. Thus, diatoms and plants have converged towards a similar functional distribution of the photosystems although via different thylakoid architectures, which likely evolved independently in the land and the ocean.ISSN:2041-172

Phototropin Links Blue-Light Perception with Starch Accumulation in Chlamydomonas

International audienc

Photoprotection is regulated by light-independent CO2 availability

International audienc

Phototropin Links Blue-Light Perception with Starch Accumulation in Chlamydomonas.

International audienc

Photoprotection is regulated by light-independent CO2 availability

International audienc

Detoxification of chlorophenols by the marine microalga Tetraselmis marina

Τhe metabolic and physiological responses of the marine microalga Tetraselmis marina to p-chlorophenol (p-CP) were studied. The main limiting factor in the study of p-CP metabolism in T. marina was the low production of microalgal biomass. In closed flasks with NaHCO3 as inorganic carbon source biomass production did not exceed 0.25 g L-1. In order to increase biomass production, growth of T. marina was studied in (a) 2 L cylindrical photobioreactor (12.4 cm inner diameter) and (b) 0.25 L glass column photobioreactors (2.6 cm inner diameter). CO2 enriched compressed air (1% v/v) was used in both systems as inorganic carbon source. There was a 22-fold improvement in biomass production which reached 5.4 g L-1. p-CP was toxic to T. marina negatively affecting both the growth rate and the final biomass production. The inhibition constant EC50 for p-CP was found to be 250 μM. p-CP also affected the physiology of T. marina causing cell aggregation and loss of flagellates. T. marina efficiently removed p-CP from the growth medium. During growth of T. marina in the presence of p-CP, two metabolites were formed and accumulated in the growth medium. The two metabolites were more polar than p-CP, and their appearances were concomitant with the disappearance of p-CP. The two metabolites were isolated and identified as p-chlorophenyl-β-D-glucopyranoside (p-CPG) and p-chlorophenyl-β-D-(6-O-malonyl)-glucopyranoside (p-CPGM). The molecular structures of p-CPG and p-CPGM were further confirmed by enzymatic and alkaline hydrolyses. In this study, we demonstrated that O-glucosylation with subsequent 6-O-malonylation of the glucoconjugate was the route of p-CP metabolism in T. marina. The combination of glucosyl transfer and malonyl transfer has previously been reported in plants in the presence of a number of xenobiotics. Here, we present the first evidence that this metabolic pathway is also present in microalgae. T. marina also metabolizes 2,4-dichlorophenol (2,4-DCP) utilizing the same pathway. The comparative study of metabolic responses of the microalga to all dichlorophenol congeners showed that T. marina glucosidates all dichlorophenols except 2,6- και 3,5-DCP. The metabolism of p-CP in T. marina was mainly driven by photosynthesis, and to a lesser extent by anabolic metabolism in the dark. Finally p-CP did not induce mRNA expression of the oxidative stress indicator enzyme ascorbate peroxidase.Μελετήθηκε η επίδραση της π-χλωροφαινόλης (p-CP) στην ανάπτυξη και φυσιολογία του θαλάσσιου μικροφύκους Tetraselmis marina καθώς και η μεταβολική του απόκριση σε αυτή. Βασικός περιοριστικός παράγοντας στη μελέτη του μεταβολισμού της p-CP στο T. marina ήταν η χαμηλή παραγωγή βιομάζας του μικροφύκους. Σε κλειστές φιάλες, με NaHCO3 ως πηγή ανόργανου άνθρακα η βιομάζα δεν ξεπέρασε τα 0.25 g L-1. Για το λόγο αυτό μελετήθηκε η ανάπτυξη του μικροφύκους και σε κυλινδρικό φωτοβιοαντιδραστήρα 2 L διαμέτρου 12.4 cm αλλά και σε φωτοβιοαντιδραστήρες-στήλες 0.25 L διαμέτρου 2.6 cm. Ως πηγή άνθρακα στα συστήματα αυτά χρησιμοποιήθηκε μίγμα 1% CO2 σε αέρα ενώ η παραγωγή βιομάζας βελτιώθηκε κατά 22 φορές φτάνοντας τα 5.4 g L-1. Η p-CP έχει τοξική δράση στο T. marina επηρεάζοντας το ρυθμό ανάπτυξής του και την παραγωγή βιομάζας. H τιμή ΕC50 για την p-CP βρέθηκε ίση με 250 μM ενώ παρουσία υψηλότερων συγκεντρώσεων p-CP παρατηρήθηκε ότι τα κύτταρα του T. marina απορρίπτουν τα μαστίγιά τους, παύουν να κινούνται και εμφανίζουν έντονη συσσωμάτωση. Το T. marina διαθέτει την ικανότητα να την απομακρύνει την p-CP από το μέσο καλλιέργειας. Η απομάκρυνση της χλωροφαινόλης από το μικροφύκος συνοδεύτηκε από την συσσώρευση στο μέσο καλλιέργειας δύο μεταβολιτών περισσότερο υδρόφιλων από την π-χλωροφαινόλη, οι οποίοι απομονώθηκαν και ταυτοποιήθηκαν ως π-χλωροφαινυλ-β-D-γλυκο-πυρανοζίτης (p-CPG) και π-χλωροφαινυλ-β-D-(6-O-μαλονυλ)-γλυκοπυρανοζίτης (p-CPGM). Η δομή των δύο μεταβολιτών επιβεβαιώθηκε με ενζυμική και αλκαλική υδρόλυσή τους. Επομένως, ο μεταβολισμός της p-CP στο T.marina πραγματοποιείται μέσω της Ο-γλυκοζυλίωσης και της διαδοχικής 6-O-μαλονυλίωσης του γλυκοσυζυγούς. Ο συνδυασμός αυτός μεταφοράς γλυκόζης και μαλονικού έχει αναφερθεί για ανώτερα φυτά και για αρκετές ξενοβιοτικές ουσίες. Εδώ, παρουσιάζεται η πρώτη απόδειξη ότι το μεταβολικό αυτό μονοπάτι χρησιμοποιείται και από μικροφύκη. Το ίδιο μεταβολικό μονοπάτι ακολουθείται και κατά την αποτοξικοποίηση της 2,4-διχλωροφαινόλης από το T. marina ενώ η συγκριτική μελέτη της μεταβολικής απόκρισης του T. marina σε όλες τις διχλωροφαινόλες έδειξε ότι το T. marina γλυκοζυλιώνει όλες τις διχλωροφαινόλες εκτός από τις 2,6- και 3,5-DCP. Η αποτοξικοποίηση χλωροφαινολών από το T. marina εξαρτάται κυρίως από τη φωτοσύνθεση και σε μικρότερο βαθμό από τον αναβολισμό του μικροφύκους στο σκοτάδι. Τέλος, η p-CP δεν βρέθηκε να προκαλεί επαγωγή της μεταγραφής της υπεροξειδάσης του ασκορβικού του T. marina, ενζύμου της αντιοξειδωτικής κυτταρικής άμυνας

Photoreceptor-dependent regulation of photoprotection.

International audienceIn photosynthetic organisms, proteins in the light-harvesting complex (LHC) harvest light energy to fuel photosynthesis, whereas photoreceptor proteins are activated by the different wavelengths of the light spectrum to regulate cellular functions. Under conditions of excess light, blue-light photoreceptors activate chloroplast avoidance movements in sessile plants, and blue- and green-light photoreceptors cause motile algae to swim away from intense light. Simultaneously, LHCs switch from light-harvesting mode to energy-dissipation mode, which was thought to be independent of photoreceptor-signaling up until recently. Recent advances, however, indicate that energy dissipation in green algae is controlled by photoreceptors activated by blue and UV-B light, and new molecular links have been established between photoreception and photoprotection

Editorial: Microalgae Biology and Biotechnology

International audienc

Editorial: Microalgae Biology and Biotechnology

Petroutsos D, Wobbe L, Jin ES, Ballottari M. Editorial: Microalgae Biology and Biotechnology. Frontiers in plant science. 2020;11: 628267