The duplication of entire genomes has long been recognized as having great potential for evolutionary novelties, but the mechanisms underlying their resolution through gene loss are poorly understood. Here we show that in the unicellular eukaryote Paramecium tetraurelia, a ciliate, most of the nearly 40,000 genes arose through at least three successive whole-genome duplications. Phylogenetic analysis indicates that the most recent duplication coincides with an explosion of speciation events that gave rise to the P. aurelia complex of 15 sibling species. We observed that gene loss occurs over a long timescale, not as an initial massive event. Genes from the same metabolic pathway or protein complex have common patterns of gene loss, and highly expressed genes are over-retained after all duplications. The conclusion of this analysis is that many genes are maintained after whole-genome duplication not because of functional innovation but because of gene dosage constraints.

The rapid increase in published genomic sequences for bacteria presents the first opportunity to reconstruct evolutionary events on the scale of entire genomes. However, extensive lateral gene transfer (LGT) may thwart this goal by preventing the establishment of organismal relationships based on individual gene phylogenies. The group for which cases of LGT are most frequently documented and for which the greatest density of complete genome sequences is available is the γ-Proteobacteria, an ecologically diverse and ancient group including free-living species as well as pathogens and intracellular symbionts of plants and animals. We propose an approach to multigene phylogeny using complete genomes and apply it to the case of the γ-Proteobacteria. We first applied stringent criteria to identify a set of likely gene orthologs and then tested the compatibilities of the resulting protein alignments with several phylogenetic hypotheses. Our results demonstrate phylogenetic concordance among virtually all (203 of 205) of the selected gene families, with each of the exceptions consistent with a single LGT event. The concatenated sequences of the concordant families yield a fully resolved phylogeny. This topology also received strong support in analyses aimed at excluding effects of heterogeneity in nucleotide base composition across lineages. Our analysis indicates that single-copy orthologous genes are resistant to horizontal transfer, even in ancient bacterial groups subject to high rates of LGT. This gene set can be identified and used to yield robust hypotheses for organismal phylogenies, thus establishing a foundation for reconstructing the evolutionary transitions, such as gene transfer, that underlie diversity in genome content and organization.

Soil bacteria that also form mutualistic symbioses in plants encounter two major levels of selection. One occurs during adaptation to and survival in soil, and the other occurs in concert with host plant speciation and adaptation. Actinobacteria from the genus Frankia are facultative symbionts that form N 2 -fixing root nodules on diverse and globally distributed angiosperms in the “actinorhizal” symbioses. Three closely related clades of Frankia sp. strains are recognized; members of each clade infect a subset of plants from among eight angiosperm families. We sequenced the genomes from three strains; their sizes varied from 5.43 Mbp for a narrow host range strain ( Frankia sp. strain HFPCcI3) to 7.50 Mbp for a medium host range strain ( Frankia alni strain ACN14a) to 9.04 Mbp for a broad host range strain ( Frankia sp. strain EAN1pec.) This size divergence is the largest yet reported for such closely related soil bacteria (97.8%–98.9% identity of 16S rRNA genes). The extent of gene deletion, duplication, and acquisition is in concert with the biogeographic history of the symbioses and host plant speciation. Host plant isolation favored genome contraction, whereas host plant diversification favored genome expansion. The results support the idea that major genome expansions as well as reductions can occur in facultative symbiotic soil bacteria as they respond to new environments in the context of their symbioses.

Explaining the diversity of gene repertoires has been a major problem in modern evolutionary biology. In eukaryotes, this diversity is believed to result mainly from gene duplication and loss, but in prokaryotes, lateral gene transfer (LGT) can also contribute substantially to genome contents. To determine the histories of gene inventories, we conducted an exhaustive analysis of gene phylogenies for all gene families in a widely sampled group, the gamma-Proteobacteria. We show that, although these bacterial genomes display striking differences in gene repertoires, most gene families having representatives in several species have congruent histories. Other than the few vast multigene families, gene duplication has contributed relatively little to the contents of these genomes; instead, LGT, over time, provides most of the diversity in genomic repertoires. Most such acquired genes are lost, but the majority of those that persist in genomes are transmitted strictly vertically. Although our analyses are limited to the gamma-Proteobacteria, these results resolve a long-standing paradox-i.e., the ability to make robust phylogenetic inferences in light of substantial LGT.

Comparisons of gene trees and species trees are key to understanding major processes of genome evolution such as gene duplication and loss. Because current methods to reconstruct phylogenies fail to model the two-way dependency between gene trees and the species tree, they often misrepresent gene and species histories. We present a new probabilistic model to jointly infer rooted species and gene trees for dozens of genomes and thousands of gene families. We use simulations to show that this method accurately infers the species tree and gene trees, is robust to misspecification of the models of sequence and gene family evolution, and provides a precise historic record of gene duplications and losses throughout genome evolution. We simultaneously reconstruct the history of mammalian species and their genes based on 36 completely sequenced genomes, and use the reconstructed gene trees to infer the gene content and organization of ancestral mammalian genomes. We show that our method yields a more accurate picture of ancestral genomes than the trees available in the authoritative database Ensembl.

ABSTRACT Dating the tree of life is central to understanding the evolution of life on Earth. Molecular clocks calibrated with fossils represent the state of the art for inferring the ages of major groups. Yet, other information on the timing of species diversification can be used to date the tree of life. For example, horizontal gene transfer events and ancient coevolutionary relationships such as (endo)symbioses can imply temporal relationships between two nodes in a phylogeny (Davín et al. 2018). These alternative sources of temporal constraints can be particularly helpful when the geological record is sparse, e.g. for microorganisms, which represent the vast majority of extant and extinct biodiversity. Here, we present a new method to combine fossil calibrations and relative age constraints to estimate chronograms. We provide an implementation of relative age constraints in RevBayes (Höhna et al. 2016) that can be combined in a modular manner with the wide range of molecular dating methods available in the software. We use both realistic simulations and empirical datasets of 40 Cyanobacteria and 62 Archaea to evaluate our method. We show that the combination of relative age constraints with fossil calibrations significantly improves the estimation of node ages.

Abstract Synechococcus picocyanobacteria are ubiquitous and abundant photosynthetic organisms in the marine environment and contribute for an estimated 16% of the ocean net primary productivity. Their light-harvesting complexes, called phycobilisomes (PBS), are composed of a conserved allophycocyanin core from which radiates six to eight rods with variable phycobiliprotein and chromophore content. This variability allows Synechococcus to optimally exploit the wide variety of spectral niches existing in marine ecosystems. Seven distinct pigment types or subtypes have been identified so far in this taxon, based on the phycobiliprotein composition and/or the proportion of the different chromophores in PBS rods. Most genes involved in their biosynthesis and regulation are located in a dedicated genomic region called the PBS rod region. Here, we examined the variability of gene sequences and organization of this genomic region in a large set of sequenced isolates and natural populations of Synechococcus representative of all known pigment types. All regions start with a tRNA-Phe GAA and some possess mobile elements including tyrosine recombinases, suggesting that their genomic plasticity relies on a tycheposon-like mechanism. Comparison of the phylogenies obtained for PBS and core genes revealed that the evolutionary history of PBS rod genes differs from the rest of the genome and is characterized by the co-existence of different alleles and frequent allelic exchange. We propose a scenario for the evolution of the different pigment types and highlight the importance of population-scale mechanisms in maintaining a wide diversity of pigment types in different Synechococcus lineages despite multiple speciation events.

Abstract Motivation Biological systems are made of entities organized at different scales ( e.g. macro-organisms, symbionts, genes…) which evolve in interaction. These interactions range from independence or conflict to cooperation and coevolution, which results in them having a common history. The evolution of such systems is approached by phylogenetic reconciliation, which describes the common patterns of diversification between two different levels, e.g. genes and species, or hosts and symbionts for example. The limit to two levels hides the multi-level inter-dependencies that characterize complex systems. Results We present a probabilistic model of evolution of three nested levels of organization which can account for the codivergence of hosts, symbionts and their genes. This model allows gene transfer as well as host switch, gene duplication as well as symbiont diversification inside a host, gene or symbiont loss. It handles the possibility of ghost lineages as well as temporary free-living symbionts. Given three phylogenetic trees, we devise a Monte Carlo algorithm which samples evolutionary scenarios of symbionts and genes according to an approximation of their likelihood in the model. We evaluate the capacity of our method on simulated data, notably its capacity to infer horizontal gene transfers, and its ability to detect hostsymbiont co-evolution by comparing host/symbiont/gene and symbiont/gene models based on their estimated likelihoods. Then we show in a aphid enterobacter system that some reliable transfers detected by our method, are invisible to classic 2-level reconciliation. We finally evaluate different hypotheses on human population histories in the light of their coevolving Helicobacter pylori symbionts, reconciled together with their genes. Availability Implementation is available on GitHub https://github.com/hmenet/TALE . Data are available on Zenodo https://doi.org/10.5281/zenodo.7667342 .

The characterization of functional elements in genomes relies on the identification of the footprints of natural selection. In this quest, taking into account neutral evolutionary processes such as mutation and genetic drift is crucial because these forces can generate patterns that may obscure or mimic signatures of selection. In mammals, and probably in many eukaryotes, another such confounding factor called GC-Biased Gene Conversion (gBGC) has been documented. This mechanism generates patterns identical to what is expected under selection for higher GC-content, specifically in highly recombining genomic regions. Recent results have suggested that a mysterious selective force favouring higher GC-content exists in Bacteria but the possibility that it could be gBGC has been excluded. Here, we show that gBGC is probably at work in most if not all bacterial species. First we find a consistent positive relationship between the GC-content of a gene and evidence of intra-genic recombination throughout a broad spectrum of bacterial clades. Second, we show that the evolutionary force responsible for this pattern is acting independently from selection on codon usage, and could potentially interfere with selection in favor of optimal AU-ending codons. A comparison with data from human populations shows that the intensity of gBGC in Bacteria is comparable to what has been reported in mammals. We propose that gBGC is not restricted to sexual Eukaryotes but also widespread among Bacteria and could therefore be an ancestral feature of cellular organisms. We argue that if gBGC occurs in bacteria, it can account for previously unexplained observations, such as the apparent non-equilibrium of base substitution patterns and the heterogeneity of gene composition within bacterial genomes. Because gBGC produces patterns similar to positive selection, it is essential to take this process into account when studying the evolutionary forces at work in bacterial genomes.

In a recent article, Nelson-Sathi et al. [NS] report that the origins of Major Archaeal Lineages [MAL] correspond to massive group-specific gene acquisitions via horizontal gene transfer (HGT) from bacteria (Nelson-Sathi et al., 2015, Nature 517(7532):77-80). If correct, this would have fundamental implications for the process of diversification in microbes. However, a re-examination of these data and results shows that the methodology used by NS systematically inflates the number of genes acquired at the root of each MAL, and incorrectly assumes bacterial origins for these genes. A re-analysis of their data with appropriate phylogenetic models accounting for the dynamics of gene gain and loss between lineages supports the continuous acquisition of genes over long periods in the evolution of Archaea.