Abstract The algal endosymbiont Durusdinium trenchii enhances the resilience of coral reefs under thermal stress 1,2 . As an endosymbiont, D. trenchii is generally expected to have a reduced genome compared to its free-living relatives, due in part to the lack of selective pressure for maintaining redundant gene functions in a stable intracellular environment within the host 3 . However, D. trenchii can live freely or in endosymbiosis, and the analysis of genetic markers 4 suggests that this species has undergone whole-genome duplication (WGD). Here we present genome assemblies for two D. trenchii isolates, confirm WGD in these taxa, and examine how selection has shaped the duplicated genome regions. We assess how the competing free-living versus endosymbiotic lifestyles of D. trenchii have contributed to the retention and divergence of duplicated genes, and how these processes have enhanced thermotolerance of corals hosting these symbionts. We find that lifestyle is the driver of post-WGD evolution in D. trenchii , with the free-living phase being most important, followed by endosymbiosis. Adaptations to both lifestyles collectively result in increased cellular fitness for D. trenchii , which provides enhanced thermal stress protection to the host coral. Beyond corals, this polyploid alga is a valuable model for understanding how genome-wide selective forces act to balance the often, divergent constraints imposed by competing lifestyles.

Abstract “Red tides” are harmful algal blooms (HABs) caused by dinoflagellate microalgae that accumulate toxins lethal to other organisms, including humans via consumption of contaminated seafood. Increasingly frequent, HABs are driven by a combination of environmental factors including nutrient enrichment, particularly in warm waters. Here, we present the de novo assembled genome (~4.75 Gbp), transcriptome, proteome, and metabolome from Prorocentrum cordatum , a globally abundant, bloom-forming dinoflagellate. Using axenic algal cultures, we studied the molecular mechanisms that underpin response to temperature stress, which is relevant to current ocean warming trends. We discovered a complementary interplay between RNA editing and exon usage that regulates the expression and functional diversity of biomolecules, reflected by reduction in photosynthesis, central metabolism, and protein synthesis. Our multi-omics analyses uncover the molecular response to heat stress in an important HAB species, which is driven by complex gene structures in a large, high-G+C genome, combined with multi-level transcriptional regulation.

Abstract Dinoflagellates of the family Symbiodiniaceae are crucial photosymbionts in corals and other marine organisms. Of these algae, Cladocopium goreaui is one of the most dominant symbiont species in the Indo-Pacific. Here, we present an improved genome assembly of C. goreaui combining new long-read sequence data with earlier generated short-read data. Incorporating new full-length transcripts to guide gene prediction, the C. goreaui genome (1.2 Gb) exhibits a high extent of completeness (82.4% based on BUSCO protein recovery) and better resolution of repetitive sequence regions; 45,322 gene models were predicted, and 327 putative, topologically associated domains of the chromosomes were identified. Comparison with other Symbiodiniaceae genomes revealed a prevalence of repeats and duplicated genes in C. goreaui , and lineage-specific genes indicating functional innovation. Incorporating 2,841,408 protein sequences from 96 broadly sampled eukaryotes and representative prokaryotes in a phylogenomic approach, we assessed the evolutionary history of C. goreaui genes. Of the 5,246 phylogenetic trees inferred from homologous protein sets containing two or more phyla, 35-36% have putatively originated via horizontal gene transfer (HGT), predominantly (19-23%) via an ancestral Archaeplastida lineage implicated in the endosymbiotic origin of plastids: 10-11% are of green algal origin, including genes encoding photosynthetic functions. Our results demonstrate the utility of long-read sequence data in resolving structural features of a dinoflagellate genome and highlight how genetic transfer has shaped genome evolution of a facultative symbiont, and more broadly of dinoflagellates.

The algal endosymbiont Durusdinium trenchii enhances the resilience of coral reefs under thermal stress. D. trenchii can live freely or in endosymbiosis, and the analysis of genetic markers suggests that this species has undergone whole-genome duplication (WGD). However, the evolutionary mechanisms that underpin the thermotolerance of this species are largely unknown. Here, we present genome assemblies for two D. trenchii isolates, confirm WGD in these taxa, and examine how selection has shaped the duplicated genome regions using gene expression data. We assess how the free-living versus endosymbiotic lifestyles have contributed to the retention and divergence of duplicated genes, and how these processes have enhanced the thermotolerance of D. trenchii . Our combined results suggest that lifestyle is the driver of post-WGD evolution in D. trenchii , with the free-living phase being the most important, followed by endosymbiosis. Adaptations to both lifestyles likely enabled D. trenchii to provide enhanced thermal stress protection to the host coral.

Abstract Dinoflagellates of Order Suessiales include the diverse Family Symbiodiniaceae known for their role as essential coral reef symbionts, and the cold-adapted Polarella glacialis . These taxa inhabit a broad range of ecological niches and exhibit extensive genomic divergence, although their genomes are in the smaller size ranges (haploid size < 3 Gbp) compared to most other dinoflagellates. Different isolates of a species are known to form symbiosis with distinct hosts and exhibit different regimes of gene expression, but intraspecies whole-genome divergence remains little known. Focusing on three Symbiodiniaceae species (the free-living Effrenium voratum , and the symbiotic Symbiodinium microadriaticum and Durusdinium trenchii ) and the free-living outgroup P. glacialis , all for which whole-genome data from multiple isolates are available, we assessed intraspecies genomic divergence at sequence and structural levels. Our analysis based on alignment and alignment-free methods revealed greater extent of intraspecies sequence divergence in symbiodiniacean species than in P. glacialis . Our results also reveal the implications of gene duplication in generating functional innovation and diversification of Symbiodiniaceae, particularly in D. trenchii for which whole-genome duplication was involved. Interestingly, tandem duplication of single-exon genes was found to be more prevalent in genomes of free-living species than in those of symbiotic species. These results in combination demonstrate the remarkable intraspecies genomic divergence in dinoflagellates under the constraint of reduced genome sizes, shaped by genetic duplications and symbiogenesis events during diversification of Symbiodiniaceae.

Abstract Ethanol production from sugarcane is a key renewable fuel industry in Brazil. Major drivers of this alcoholic fermentation are Saccharomyces cerevisiae strains that originally were contaminants to the system and yet prevail in the industrial process. Here we present newly sequenced genomes (using Illumina short-read and PacBio long-read data) of two monosporic isolates (H3 and H4) of the S. cerevisiae PE-2, a predominant bioethanol strain in Brazil. The assembled genomes of H3 and H4, together with 42 draft genomes of sugarcane-fermenting (fuel ethanol plus cachaça) strains, were compared against those of the reference S288c and diverse S. cerevisiae . All genomes of bioethanol yeasts have amplified SNO2(3)/SNZ2(3) gene clusters for vitamin B1/B6 biosynthesis, and display ubiquitous presence of SAM-dependent methyl transferases , a gene family rare in S. cerevisiae . Widespread amplifications of quinone oxidoreductases YCR102C/YLR460C/YNL134C , and the structural or punctual variations among aquaporins and components of the iron homeostasis system, likely represent adaptations to industrial fermentation. Interesting is the pervasive presence among the bioethanol/cachaça strains of a five-gene cluster (Region B) that is a known phylogenetic signature of European wine yeasts. Combining genomes of H3, H4, and 195 yeast strains, we comprehensively assessed whole-genome phylogeny of these taxa using an alignment-free approach. The 197-genome phylogeny substantiates that bioethanol yeasts are monophyletic and closely related to the cachaça and wine strains. Our results support the hypothesis that biofuel-producing yeasts in Brazil may have been co-opted from a pool of yeasts that were pre-adapted to alcoholic fermentation of sugarcane for the distillation of cachaça spirit, which historically is a much older industry than the large-scale fuel ethanol production.

Symbiodiniaceae are predominantly symbiotic dinoflagellates critical to corals and other reef organisms. Symbiodinium is a basal symbiodiniacean lineage and includes symbiotic and free-living taxa. However, the molecular mechanisms underpinning these distinct lifestyles remain little known. Here, we present high-quality de novo genome assemblies for the symbiotic Symbiodinium tridacnidorum CCMP2592 (genome size 1.3 Gbp) and the free-living Symbiodinium natans CCMP2548 (genome size 0.74 Gbp). These genomes display extensive sequence divergence, sharing only ~1.5% conserved regions (≥90% identity). We predicted 45,474 and 35,270 genes for S. tridacnidorum and S. natans , respectively; of the 58,541 homologous gene families, 28.5% are common to both genomes. We recovered a greater extent of gene duplication and higher abundance of repeats, transposable elements and pseudogenes in the genome of S. tridacnidorum than in that of S. natans . These findings demonstrate that genome structural rearrangements are pertinent to distinct lifestyles in Symbiodinium , and may contribute to the vast genetic diversity within the genus, and more broadly in Symbiodiniaceae. Moreover, the results from our whole-genome comparisons against a free-living outgroup support the notion that the symbiotic lifestyle is a derived trait in, and that the free-living lifestyle is ancestral to, Symbiodinium .

Abstract Dinoflagellates in the Family Symbiodiniaceae (Order Suessiales) are diverse, predominantly symbiotic lineages that associate with taxa such as corals and jellyfish. Their ancestor is believed to have been free-living, and the establishment of symbiosis (i.e., symbiogenesis) is hypothesised to have occurred multiple times during Symbiodiniaceae evolution. Among Symbiodiniaceae taxa, the genus Effrenium is an early diverging, free-living lineage that is phylogenetically positioned between two robustly supported groups of genera within which symbiotic taxa have emerged. The lack of symbiogenesis in Effrenium suggests that the ancestral features of Symbiodiniaceae may have been retained in this lineage. Here we present de novo assembled genomes and associated transcriptome data from three isolates of Effrenium voratum . We compared the Effrenium genomes (1.2-1.9 Gbp in size) and gene features with those of 16 Symbiodiniaceae taxa and other outgroup dinoflagellates. Surprisingly, we find that genome reduction, which is often associated with a symbiotic lifestyle, predates the origin of Symbiodiniaceae. We postulate that adaptation to an extreme habitat (e.g., as in Polarella glacialis ) or life in oligotrophic conditions resulted in the Suessiales ancestor having a haploid genome size < 2Gbp, which was retained (or reduced) among all extant algae in this lineage. Nonetheless, our data reveal that the free-living lifestyle distinguishes Effrenium from symbiotic Symbiodiniaceae vis-à-vis their longer introns, more-extensive mRNA editing, fewer (∼30%) lineage-specific gene families, and lower (∼10%) level of pseudogenisation. These results demonstrate how genome reduction and the adaptation to symbiotic versus free-living lifestyles intersect, and have driven the diversification and genome evolution of Symbiodiniaceae.

Dinoflagellates of the family Symbiodiniaceae (Order Suessiales) are predominantly symbiotic, and many are known for their association with corals. The genetic and functional diversity among Symbiodiniaceae is well acknowledged, but the genome-wide sequence divergence among these lineages remains little known. Here, we present de novo genome assemblies of five isolates from the basal genus Symbiodinium , encompassing distinct ecological niches. Incorporating existing data from Symbiodiniaceae and other Suessiales (15 genome datasets in total), we investigated genome features that are common or unique to these Symbiodiniaceae, to genus Symbiodinium , and to the individual species S. microadriaticum and S. tridacnidorum . Our whole-genome comparisons reveal extensive sequence divergence, with no sequence regions common to all 15. Based on similarity of k -mers from whole-genome sequences, the distances among Symbiodinium isolates are similar to those between isolates of distinct genera. We observed extensive structural rearrangements among symbiodiniacean genomes; those from two distinct Symbiodinium species share the most (853) syntenic gene blocks. Functions enriched in genes core to Symbiodiniaceae are also enriched in those core to Symbiodinium . Gene functions related to symbiosis and stress response exhibit similar relative abundance in all analysed genomes. Our results suggest that structural rearrangements contribute to genome sequence divergence in Symbiodiniaceae even within a same species, but the gene functions have remained largely conserved in Suessiales. This is the first comprehensive comparison of Symbiodiniaceae based on whole-genome sequence data, including comparisons at the intra-genus and intra-species levels.

Comparative algal genomics often relies on predicted gene models from de novo assembled genomes. However, the artifacts introduced by different gene-prediction approaches, and their impact on comparative genomic analysis, remain poorly understood. Here, using available genome data from six dinoflagellate species in Symbiodiniaceae, we identified potential methodological biases in the published gene models that were predicted using different approaches. We developed and applied a comprehensive customized workflow to predict genes from these genomes. The observed variation among predicted gene models resulting from our workflow agreed with current understanding of phylogenetic relationships among these taxa, whereas those published earlier were largely biased by the distinct approaches used in each instance. Importantly, these biases mislead the inference of homologous gene families and synteny among genomes, thus impacting biological interpretation of these data. Our results demonstrate that a consistent gene-prediction approach is critical for comparative genomics, particularly for non-model algal genomes.