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

Brown algae are characterized by a remarkable diversity of life cycles, sexual systems, and reproductive modes, and these traits seem to be very labile across the whole group. This diversity makes them ideal models to test existing theories on the evolution of alternation between generations, and to examine correlations between life cycle and reproductive life history traits. In this study, we investigate the dynamics of trait evolution for four life-history traits: life cycle, sexual system, level of gamete dimorphism and gamete parthenogenetic capacity. We assign states to up to 70 species in a multi-gene phylogeny of brown algae, and use maximum likelihood and Bayesian analyses of correlated evolution, taking phylogeny into account, to test for correlations between life history traits and sexual systems, and to investigate the sequence of trait acquisition. Our analyses are consistent with the prediction that diploid growth may evolve because it allows the complementation of deleterious mutations, and that haploid sex determination is ancestral in relation to diploid sex determination. However, the idea that increased zygotic and diploid growth is associated with increased sexual dimorphism is not supported by our analysis. Finally, it appears that in the brown algae isogamous species evolved from anisogamous ancestors.

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.

Although evolutionary transitions from sexual to asexual reproduction are frequent in eukaryotes, the genetic bases of these shifts remain largely elusive. Here, we used classic quantitative trait analysis, combined with genomic and transcriptomic information to dissect the genetic basis of asexual, parthenogenetic reproduction in the brown alga Ectocarpus. We found that parthenogenesis is controlled by the sex locus, together with two additional autosomal loci, highlight the key role of the sex chromosome as a major regulator of asexual reproduction. Importantly, we identify several negative effects of parthenogenesis on male fitness, but also different fitness effects between parthenogenesis and life cycle generations, supporting the idea that parthenogenesis may be under both sexual selection and generation/ploidally-antagonistic selection. Overall, our data provide the first empirical illustration, to our knowledge, of a trade-off between the haploid and diploid stages of the life cycle, where distinct parthenogenesis alleles have opposing effects on sexual and asexual reproduction and may contribute to the maintenance of genetic variation. These types of fitness trade-offs have profound evolutionary implications in natural populations and may structure life history evolution in organisms with haploid-diploid life cycles.

Roluperidone, a 5-HT