Unraveling the unique chloroplast transporter architecture of diatom algae Phaeodactylum tricornutum : insights from computational and experimental analyses
Démêler l'architecture unique du transporteur de chloroplastes des algues diatomées Phaeodactylum tricornutum : aperçu des analyses informatiques et expérimentales
Résumé
Diatoms are a key contributor to marine photosynthesis. Diatoms are distantly related to plants, and possess chloroplasts (plastid) of secondary red origin distinct from the primary plastids of plants, with a poorly understood associated metabolism. Here, we use transcriptomic, phylogenomic and environmental data to construct an in silico atlas of predicted plastid transporters identified by genome-wide searches of the model diatom species Phaeodactylum tricornutum. Our analysis led to the discovery of a novel MFS superfamily transporter, henceforth termed “Trans3”. The gene encoding this transporter is found in species containing secondary red plastids, and shows a strong positive correlation of expression with genes encoded in the Phaeodactylum mitochondrial genome. Using self-assembling GFP, we located Trans3 at the plastid peri-plastidial membrane (PPM). We generated three probable heterozygotic Trans3 CRISPR-Cas9 mutants which show a 20% reduction in cell growth, and lower photosystem I content than control lines implying that it plays important roles for diatom cell growth and photosynthetic efficiency. Interestingly, our mutant lines showed less sensitivity to Fe depletion stress than empty vector controls, which we infer from transcriptomic data to relate to an upregulation of expression of pigment synthesis and light-harvesting complex-related pathways that may mitigate knockout photo-sensitivity to Fe depletion. Finally, considering structural data, we suggest Trans3 functions as a molybdate transporter similar to the molybdate transporter 2 (MOT2) protein found in Chlamydomonas, which may participate in molybdate transport through the plastid membranes. Preliminary measurements indicate that knockout mutants had higher molybdate uptake rates than empty vector controls, although this may be affected by the availability of NO3 and Fe in growth media. Overall, these data provide new insights into how plastid transporters contribute to the striking success of diatoms in the modern ocean.
Les diatomées sont un contributeur clé à la photosynthèse marine. Les diatomées sont apparentées de loin aux plantes et possèdent des chloroplastes (plastes) d'origine rouge secondaire distincts des plastes primaires des plantes, avec un métabolisme associé mal compris. Ici, nous utilisons des données transcriptomiques, phylogénomiques et environnementales pour construire un atlas in silico des transporteurs de plastes prédits identifiés par des recherches à l'échelle du génome de l'espèce de diatomée modèle Phaeodactylum tricornutum. Notre analyse a conduit à la découverte d'un nouveau transporteur de la superfamille MFS, désormais appelé "Trans3". Le gène codant pour ce transporteur se trouve dans les espèces contenant des plastes rouges secondaires et montre une forte corrélation positive d'expression avec les gènes codés dans le génome mitochondrial de Phaeodactylum. À l'aide de la GFP auto-assemblée, nous avons localisé Trans3 au niveau de la membrane périplastidiale plastidiale (PPM). Nous avons généré trois mutants hétérozygotes Trans3 CRISPR-Cas9 probables qui montrent une réduction de 20 % de la croissance cellulaire et une teneur en photosystème I inférieure à celle des lignées témoins, ce qui implique qu'il joue un rôle important dans la croissance des cellules de diatomées et l'efficacité photosynthétique. Fait intéressant, nos lignées mutantes ont montré moins de sensibilité au stress d'appauvrissement en Fe que les témoins de vecteurs vides, ce que nous déduisons des données transcriptomiques pour se rapporter à une régulation à la hausse de l'expression de la synthèse des pigments et des voies liées au complexe de collecte de la lumière qui peuvent atténuer la photosensibilité knock-out à Fe épuisement. Enfin, compte tenu des données structurelles, nous suggérons que Trans3 fonctionne comme un transporteur de molybdate similaire à la protéine de transport de molybdate 2 (MOT2) trouvée dans Chlamydom onas, qui peut participer au transport du molybdate à travers les membranes plastidiales. Les mesures préliminaires indiquent que les mutants knock-out avaient des taux d'absorption de molybdate plus élevés que les témoins de vecteurs vides, bien que cela puisse être affecté par la disponibilité de NO3 et de Fe dans les milieux de croissance. Dans l'ensemble, ces données fournissent de nouvelles informations sur la manière dont les transporteurs de plastides contribuent au succès retentissant des diatomées dans l'océan moderne.
Origine : Version validée par le jury (STAR)