Diversity of sulfur metabolism in microalgae

Sulfur is a fundamental, yet frequently underestimated, macronutrient resulting on substantially less information about it in literature when compared to other macronutrients. Among photosynthetic organisms, sulfur metabolism is generally assumed to be conserved and most of the available information is limited to vascular plants. The investigation among algae is constrained to very few clades, despite the importance of sulfate – the most available form of sulfur in nature – in seawater. In fact, there is evidence to suggest that sulfate concentration in seawater is one of the most important drivers of phytoplankton composition and may be the responsible for today’s dominance of chlorophyll a + c microalgae in the phytoplankton – the Sulfate Facilitation Hypothesis (SFH). Facing this scenario, this thesis intends to raise the understanding of the role of sulfur in phytoplankton by implementing a multidisciplinary approach involving various groups of microalgae. First, a broad in silico analysis of the cellular localization and phylogenetic relationships of the six core enzymes of sulfate assimilation shows a rather complex origin of the pathway. Data also suggests a relevant role of redox regulation, that appears to function differently among different groups of phototrophs. Then, the function, localization and the in vivo redox regulation of one of these enzymes – with a particularly complex phylogeny, named ATPS – was further investigated in the model diatom Phaeodactylum tricornutum using novel molecular biology techniques. ATPS seems to be crucial for life and is present in P. tricornutum as two non-redundant isoforms that are in different compartments and may function in sulfur partitioning. The recovery of ATPS-knockout mutants by growth medium complementation with alternative sources of sulfur is initially investigated. Finally, using a physiological and biochemical approach, the growth of marine microalgae belonging to various groups was assessed as a function of sulfate concentration in growth medium. The concentration of sulfate that results in growth limitation is strikingly different among microalgae. In fact, chlorophyll a + c microalgae can be limited in sulfate concentrations up to 10000-fold higher than the other microalgae, which is highly congruent with the SFH. Interestingly, their responses to sulfate limitation were also different within the red-plastid algae, especially in the iron quota in cells.

Lo zolfo è un macronutriente fondamentale, ma spesso sottovalutato sostanzialmente meno informazioni su di esso in letteratura rispetto ad altri macronutrienti. Tra gli organismi fotosintetici, il metabolismo dello zolfo è generalmente si presume di essere conservato e la maggior parte delle informazioni disponibili è limitata alle pianti vascolari. L'indagine sulle alghe è limitata a pochissimi cladi, nonostante il importanza del solfato - la forma più disponibile di zolfo in natura - nell'acqua di mare. Infatti, ci sono prove che suggeriscono che la concentrazione di solfato nell'acqua di mare sia una delle maggiori importanti fattori determinanti della composizione del fitoplancton e potrebbero essere i responsabili di oggi predominanza delle microalghe clorofilla a + c nel fitoplancton - la facilitazione del solfato Ipotesi (SFH). Di fronte a questo scenario, questa tesi intende aumentare la comprensione di il ruolo dello zolfo nel fitoplancton implementando un approccio multidisciplinare coinvolgendo vari gruppi di microalghe. In primo luogo, un'ampia analisi in silico del cellulare localizzazione e relazioni filogenetiche dei sei enzimi fondamentali dell'assimilazione dei solfati mostra un'origine piuttosto complessa del percorso. I dati suggeriscono anche un ruolo rilevante di redox regolazione, che sembra funzionare in modo diverso tra i diversi gruppi di fototrofi. Quindi, la funzione, la localizzazione e la regolazione redox in vivo di uno di questi enzimi - con una filogenesi particolarmente complessa, denominata ATPS - è stata ulteriormente indagata nel modello di diatomee Phaeodactylum tricornutum utilizzando nuove tecniche di biologia molecolare. L'ATPS sembra essere cruciale per la vita ed è presente in P. tricornutum come due non ridondanti isoforme che si trovano in diversi compartimenti e possono funzionare nel partizionamento dello zolfo. Il recupero di mutanti knockout ATPS mediante complementazione con mezzo di crescita Vengono inizialmente studiate fonti alternative di zolfo. Infine, utilizzando un fisiologico e approccio biochimico, la crescita di microalghe marine appartenenti a vari gruppi è stata valutato in funzione della concentrazione di solfato nel mezzo di crescita. La concentrazione di il solfato che si traduce in limitazione della crescita è sorprendentemente diverso tra le microalghe. Infatti, le microalghe clorofilla a + c possono essere limitate in concentrazioni di solfato fino a 10000 volte superiore alle altre microalghe, che è altamente congruente con l'SFH. È interessante notare che le loro risposte alla limitazione dei solfati erano anche diverse all'interno delle alghe con plastide rosse, soprattutto nella quota di ferro nelle cellule.