SUMMARY Sex chromosomes fall into three classes: XX/XY, ZW/ZZ and U/V systems. The rise, evolution and demise of U/V systems have remained enigmatic to date. Here, we analyze genomes spanning the entire brown algal phylogeny to decipher their sex-determination evolutionary history. The birth of U/V sex chromosomes evolved more than 250 million years ago, when a pivotal male-determinant located in a discrete region in proto-U and proto-V chromosomes ceased recombining. Over time, nested inversions led to step-wise expansions, accompanying increasing morphological complexity and sexual differentiation of brown seaweeds. Unlike XX/XY and ZW/ZZ, U/V evolve mainly by gene gain, showing minimal degeneration. They are structurally dynamic, and act as genomic ’cradles’ fostering the birth of new genes. Our analyses show that hermaphroditism arose from ancestral males that acquired U-specific genes by ectopic recombination, and that in the transition from a U/V to an XX/XY system, V-specific genes moved down the genetic hierarchy of sex determination. Both events lead to the demise of U and V and erosion of their specific genomic characteristics. Taken together, our findings offer a comprehensive model of U/V sex chromosome evolution. HIGHLIGHTS Sexes arose in brown algae due to ceased recombination of a male-determining gene-containing region U/V sex chromosomes evolve via gene gain and act as ‘cradles’ of genomic novelty Emergence of XX/XY chromosomes involved demotion of the V-master sex-determining gene Introgression of female-specific genes into a male background allowed hermaphroditism to arise

Summary The role of maternal tissue in embryogenesis remains enigmatic in many complex organisms. Here, we investigate the contribution of maternal tissue to apical–basal patterning in the kelp embryo. Focussing on Undaria pinnatifida , we studied the effects of detachment from the maternal tissue using microsurgery, staining of cell wall modifications, morphometric measurements, flow cytometry, genotyping and a modified kelp fertilisation protocol synchronising kelp embryogenesis. Detached embryos are rounder and often show aberrant morphologies. When a part of the oogonial cell wall remains attached to the zygote, the apical–basal patterning is rescued. Furthermore, the absence of contact with maternal tissue increases parthenogenesis, highlighting the critical role of maternal signals in the initial stages of development. These results show a key role for the connection to the maternal oogonial cell wall in apical–basal patterning in kelps. This observation is reminiscent of another brown alga, Fucus , where the cell wall directs the cell fate. Our findings suggest a conserved mechanism across phylogenetically distant oogamous lineages, where localised secretion of sulphated F2 fucans mediates the establishment of the apical–basal polarity. In this model, the maternal oogonial cell wall mediates basal cell fate determination by providing an extrinsic patterning cue to the future kelp embryo.

Abstract In many multicellular organisms, male and female developmental fates are not determined by the classic XX/XY or ZW/ZZ systems but rather by a third type of sex chromosomes, the U/V sex chromosomes. In U/V systems, sex is expressed in the haploid phase, with U chromosomes confined to females and V chromosomes to males. Here, we explore several male, female and partially sex- reversed male lines of a giant kelp with a U/V system, to decipher the role of U/V sex chromosomes and autosomes in the initiation of male versus female developmental programs. Using comparative transcriptomics and experimental approaches, we identify a small set of genes located on the V- and U sex chromosomes that play a role in triggering the male versus female developmental programs, and we uncover a subset of autosomal effector genes. We describe the transcriptomic pathways underlying sexual differentiation and show that male, but not female, developmental fate involves large-scale transcriptome reorganization with pervasive enrichment in regulatory genes affecting the expression of more than half of the giant kelp genome. Furthermore, male-biased genes are more species-specific and exhibit faster evolutionary rates than unbiased genes, whereas genes underlying female developmental fate are more evolutionary conserved. Our observations imply that a female- like phenotype is the “ground state” of the giant kelp morphology, which is complemented by the presence of a U-chromosome, but overridden by a dominant male developmental program in the presence of a V-chromosome.

Background and aims Parthenogenesis, the embryonal development of an unfused gamete, is a widespread trait within the brown algae (Phaeophyceae). We hypothesized that the parthenogenetic development of male gametes of the model brown alga Ectocarpus species 7 would rapidly be dependent on de novo transcription and translation because of the small size of the gamete cell. Methods We followed the development of male Ectocarpus gametes to parthenosporophytes in the presence of either the transcription inhibitor thiolutin or the translation inhibitor emetine. Responses in morphology and growth were compared to development in inhibitor-free control conditions at three time points over 12 days. Potentially persistent inhibitor effects were then investigated by growing parthenosporophytes in an inhibitor-free post-culture for 14 days. Key results Thiolutin did not affect gamete germination, but growth of parthenosporophytes was significantly delayed. While almost all control parthenosporophytes had grown larger than 10 cells over 12 days, thiolutin inhibited growth beyond a size of 5-10 cells. The effects of thiolutin were reversible in the post-culture. Consequences of the emetine treatment were more severe, germination was already strongly inhibited by day 5, and on average only 27.5% of emetine-treated gametes had completed the first cell division on day 12. Emetine fully inhibited development beyond the 5-cell stage during the treatment, and induced morphological abnormalities (i.e., round cell shape and abnormal cell division planes) which persisted throughout the post-culture. Conclusions These results imply that Ectocarpus gametes contain sufficient proteins to germinate, and that the first cell cycles of parthenogenetic gamete development presumably utilize mRNA already present in the gametes. We discuss that storing mRNA and proteins in the developing gametes before release may be an adaptive trait in Ectocarpus to ensure quick development after fertilization, or alternatively the vegetative completion of the life cycle in the absence of mates.

The role of maternal tissue in the control of embryogenesis remains enigmatic in many complex organisms. Here, we investigate the contribution of maternal tissue to apical-basal patterning in the kelp embryo. Using a modified kelp fertilisation protocol which yields synchronously developing kelp embryos, we show that detachment from maternal tissue leads to compromised robustness of apical-basal patterning. Detached embryos are rounder and often show aberrant morphologies. Furthermore, absence of contact with maternal tissue increases parthenogenesis, highlighting the critical role of maternal signals in the initial stages of kelp development. When zygotes are detached from the female gametophyte while part of the oogonial cell wall still remains attached to the egg, the proper apical-basal patterning is rescued showing a key role for the connection to the maternal cell wall in developmental patterning in kelps. This observation is reminiscent of another brown alga, Fucus, where the cell wall has been shown to play a key role in cell fate determination. In the case of kelps, the maternal oogonium mediates basal cell fate determination by providing an extrinsic patterning cue in its extracellular matrix to the future embryo. Our findings suggest a conserved mechanism across phylogenetically distant oogamous brown algal lineages, where localised secretion of sulphated F2 fucans mediate establishment of the apical-basal polarity.