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.

Significance The protein Pt43233 is a member of the Cys-Gly-His–rich (CGHR) protein family, and it was discovered to be a previously unidentified carbonic anhydrase (CA), designated as θ-CA. Moreover, Pt43233 is targeted to the lumen of the pyrenoid-penetrating thylakoid in the marine diatom Phaeodactylum tricornutum . Analysis of Pt43233 overexpression and RNAi mutants suggests this CA is essential for photosynthetic efficiency and growth in this diatom. The discovery of θ-CA within the pyrenoid-penetrating thylakoid of P. tricornutum implies direct use of the pH gradient across the thylakoid membrane as a means of supplying CO 2 to the Calvin cycle. Alternatively, Pt43233 could regulate the function of photosystems, indicating that a common mechanism could have evolved convergently across diverse aquatic photoautotrophs.

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.

Brown seaweeds are keystone species of coastal ecosystems, often forming extensive underwater forests, and are under considerable threat from climate change. In this study, analysis of multiple genomes has provided insights across the entire evolutionary history of this lineage, from initial emergence, through later diversification of the brown algal orders, down to microevolutionary events at the genus level. Emergence of the brown algal lineage was associated with a marked gain of new orthologous gene families, enhanced protein domain rearrangement, increased horizontal gene transfer events, and the acquisition of novel signaling molecules and key metabolic pathways, the latter notably related to biosynthesis of the alginate-based extracellular matrix, and halogen and phlorotannin biosynthesis. We show that brown algal genome diversification is tightly linked to phenotypic divergence, including changes in life cycle strategy and zoid flagellar structure. The study also showed that integration of large viral genomes has had a significant impact on brown algal genome content throughout the emergence of the lineage.

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.

Abstract Anion transporters are important to sustain a variety of physiological states in cells. Bestrophins are a family of Cl − and/or HCO3 − transporters conserved in bacteria, animals, algae, and plants. Recently, bestrophin paralogs were found in the green alga Chlamydomonas reinhardtii as up- regulated components in low CO 2 conditions that play an essential role in the CO 2 - concentrating mechanism (CCM). Bestrophin orthologs are also conserved in diatoms, a group of secondary endosymbiotic algae harboring red-type plastids, but their physiological functions are not known yet. Here, we characterized the subcellular localization and expression profile of bestrophins in the marine diatoms Phaeodactylum tricornutum (PtBST1−4) and Thalassiosira pseudonana (TpBST1 and 2). PtBST1 and PtBST2 were localized at the stromal thylakoid membrane outside of the pyrenoid, and PtBST3 was localized in the pyrenoid. Contrarily, TpBST1 and TpBST2 were both localized in the pyrenoid. These bestrophin proteins were accumulated in cells grown in atmospheric CO 2 but not in 1% CO 2 -grown cells. To assess the physiological functions, we generated knock-out mutants for PtBST1 by genome editing. The lack of PtBST1 decreased affinity of photosynthesis for dissolved inorganic carbon closer to that of the cells grown in 1% CO 2 . Additionally, non-photochemical quenching was 1.5–2.0 times higher in the mutants than that of the wild type cells. These data suggests that HCO3 − transport at the stroma thylakoid membranes by PtBST1 is a critical part of the CO 2 evolving system of the pyrenoid in the fully induced CCM, and simultaneously that PtBST1 modulates photoprotection in response to CO 2 availability in P. tricornutum . Significant statement Marine diatoms are responsible for nearly half of oceanic primary production, owing to the high-affinity photosynthesis for dissolved inorganic carbon which is supported by CO 2 - concentrating mechanism (CCM). This study uncovered that a bestrophin family protein at the stoma thylakoid membrane operates to import HCO 3 − to the thylakoid lumen and mobilizes it towards the CO 2 evolving system at the pyrenoid-penetrating thylakoid in the diatom Phaeodactylum tricornutum . This HCO 3 − collecting system not only enhances the CCM but also down regulates the photoprotection capacity of photosystem II, presumably by affecting the thylakoid lumen acidification. This study experimentally demonstrates the molecular mechanism how diatoms optimize the use of CO 2 and light energy, giving an insight into the reason of ecological successfulness of marine diatoms.