The genome of Ectocarpus, a model organism for brown algae, has been sequenced. Brown algae are complex photosynthetic organisms that have adapted to life in rocky coastal environments. Genome analysis sheds light on this adaptation and reveals an extended set of light-harvesting and pigment biosynthesis genes and novel metabolic processes such as halide metabolism. Comparative genomic analyses highlight the likely importance of a family of receptor kinases and related molecules in the evolution of multicellularity in plants, animals and brown algae. The genome of Ectocarpus siliculosis, a model for the study of brown algae, has been sequenced. These seaweeds are complex photosynthetic organisms that have adapted to rocky coastal environments. Genome analysis sheds light on this adaptation, revealing an extended set of light-harvesting and pigment biosynthesis genes, and new metabolic processes such as halide metabolism. Comparative analyses are also significant with respect to the evolution of multicellularity in plants, animals and brown algae. Brown algae (Phaeophyceae) are complex photosynthetic organisms with a very different evolutionary history to green plants, to which they are only distantly related1. These seaweeds are the dominant species in rocky coastal ecosystems and they exhibit many interesting adaptations to these, often harsh, environments. Brown algae are also one of only a small number of eukaryotic lineages that have evolved complex multicellularity (Fig. 1). We report the 214 million base pair (Mbp) genome sequence of the filamentous seaweed Ectocarpus siliculosus (Dillwyn) Lyngbye, a model organism for brown algae2,3,4,5, closely related to the kelps6,7 (Fig. 1). Genome features such as the presence of an extended set of light-harvesting and pigment biosynthesis genes and new metabolic processes such as halide metabolism help explain the ability of this organism to cope with the highly variable tidal environment. The evolution of multicellularity in this lineage is correlated with the presence of a rich array of signal transduction genes. Of particular interest is the presence of a family of receptor kinases, as the independent evolution of related molecules has been linked with the emergence of multicellularity in both the animal and green plant lineages. The Ectocarpus genome sequence represents an important step towards developing this organism as a model species, providing the possibility to combine genomic and genetic2 approaches to explore these and other4,5 aspects of brown algal biology further.

SUMMARY Brown seaweeds are keystone species of coastal ecosystems, often forming extensive underwater forests, that are under considerable threat from climate change. Despite their ecological and evolutionary importance, this phylogenetic group, which is very distantly related to animals and land plants, is still poorly characterised at the genome level. Here we analyse 60 new genomes that include species from all the major brown algal orders. Comparative analysis of these genomes indicated the occurrence of several major events coinciding approximately with the emergence of the brown algal lineage. These included marked gain of new orthologous gene families, enhanced protein domain rearrangement, horizontal gene transfer events and the acquisition of novel signalling molecules and metabolic pathways. The latter include enzymes implicated in processes emblematic of the brown algae such as biosynthesis of the alginate-based extracellular matrix, and halogen and phlorotannin biosynthesis. These early genomic innovations enabled the adaptation of brown algae to their intertidal habitats. The subsequent diversification of the brown algal orders tended to involve loss of gene families, and genomic features were identified that correlated with the emergence of differences in life cycle strategy, flagellar structure and halogen metabolism. We show that integration of large viral genomes has had a significant impact on brown algal genome content and propose that this process has persisted throughout the evolutionary history of the lineage. Finally, analysis of microevolutionary patterns within the genus Ectocarpus indicated that deep gene flow between species may be an important factor in genome evolution on more recent timescales.

Summary The first mitotic division of the initial cell is a key event in all multicellular organisms and is usually concomitant with the establishment of major developmental axes and cell fates. The brown alga Ectocarpus has a haploid-diploid life cycle that involves the development of two multicellular and independent generations, the sporophyte and the gametophyte. Each generation deploys a distinct developmental program autonomously from an initial cell, whose first cell division sets up the future body pattern. Here, we show that mutations in the BASELESS ( BAS ) gene result in multiple cellular defects during the first division of the initial cell and subsequently failure to produce basal structures (rhizoids and prostrate filaments) during both generations of the life cycle. Cloning-by-sequencing revealed that BAS encodes a type B” regulatory subunit of protein phosphatase 2A, and transcriptomic analysis of early developmental stages uncovered potential effector genes involved in setting up basal cell fate in this organism. The bas mutant phenotype is very similar to that observed in the distag (dis) mutants, which lack a functional TBCCd1 protein, at both the cellular and morphological levels. The high level of similarity of the dis and bas mutant phenotypes indicate that TBCCd1 and PP2A are two critical components of the cellular machinery that regulates the division of the initial cell and mediates the establishment of basal cell fate in the developing thallus.