The mutualistic symbiosis involving Glomeromycota, a distinctive phylum of early diverging Fungi, is widely hypothesized to have promoted the evolution of land plants during the middle Paleozoic. These arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) perform vital functions in the phosphorus cycle that are fundamental to sustainable crop plant productivity. The unusual biological features of AMF have long fascinated evolutionary biologists. The coenocytic hyphae host a community of hundreds of nuclei and reproduce clonally through large multinucleated spores. It has been suggested that the AMF maintain a stable assemblage of several different genomes during the life cycle, but this genomic organization has been questioned. Here we introduce the 153-Mb haploid genome of Rhizophagus irregularis and its repertoire of 28,232 genes. The observed low level of genome polymorphism (0.43 SNP per kb) is not consistent with the occurrence of multiple, highly diverged genomes. The expansion of mating-related genes suggests the existence of cryptic sex-related processes. A comparison of gene categories confirms that R. irregularis is close to the Mucoromycotina. The AMF obligate biotrophy is not explained by genome erosion or any related loss of metabolic complexity in central metabolism, but is marked by a lack of genes encoding plant cell wall-degrading enzymes and of genes involved in toxin and thiamine synthesis. A battery of mycorrhiza-induced secreted proteins is expressed in symbiotic tissues. The present comprehensive repertoire of R. irregularis genes provides a basis for future research on symbiosis-related mechanisms in Glomeromycota.

• The arbuscular mycorrhizal symbiosis is arguably the most ecologically important eukaryotic symbiosis, yet it is poorly understood at the molecular level. To provide novel insights into the molecular basis of symbiosis-associated traits, we report the first genome-wide analysis of the transcriptome from Glomus intraradices DAOM 197198. • We generated a set of 25,906 nonredundant virtual transcripts (NRVTs) transcribed in germinated spores, extraradical mycelium and symbiotic roots using Sanger and 454 sequencing. NRVTs were used to construct an oligoarray for investigating gene expression. • We identified transcripts coding for the meiotic recombination machinery, as well as meiosis-specific proteins, suggesting that the lack of a known sexual cycle in G. intraradices is not a result of major deletions of genes essential for sexual reproduction and meiosis. Induced expression of genes encoding membrane transporters and small secreted proteins in intraradical mycelium, together with the lack of expression of hydrolytic enzymes acting on plant cell wall polysaccharides, are all features of G. intraradices that are shared with ectomycorrhizal symbionts and obligate biotrophic pathogens. • Our results illuminate the genetic basis of symbiosis-related traits of the most ancient lineage of plant biotrophs, advancing future research on these agriculturally and ecologically important symbionts.

Abstract The polyextremophilic Cyanidiales are eukaryotic red microalgae with promising biotechnological properties arising from their low pH and elevated temperature requirements which can minimize culture contamination at scale. Cyanidioschyzon merolae 10D is a cell wall deficient species with a fully sequenced genome that is amenable to nuclear transgene integration by targeted homologous recombination. C. merolae maintains a minimal carotenoid profile and here, we sought to determine its capacity for ketocarotenoid accumulation mediated by heterologous expression of a green algal β-carotene ketolase (BKT) and hydroxylase (CHYB). To achieve this, a synthetic transgene expression cassette system was built to integrate and express Chlamydomonas reinhardtii ( Cr ) sourced enzymes by fusing native C. merolae transcription, translation and chloroplast targeting signals to codon-optimized coding sequences. Chloramphenicol resistance was used to select for the integration of synthetic linear DNAs into a neutral site within the host genome. Cr BKT expression caused accumulation of canthaxanthin and adonirubin as major carotenoids while co-expression of Cr BKT with Cr CHYB generated astaxanthin as the major carotenoid in C. merolae . Unlike green algae and plants, ketocarotenoid accumulation in C. merolae did not reduce total carotenoid contents, but chlorophyll a reduction was observed. Light intensity affected global ratios of all pigments but not individual pigment compositions and phycocyanin contents were not markedly different between parental strain and transformants. Continuous illumination was found to encourage biomass accumulation and all strains could be cultivated in simulated summer conditions from two different extreme desert environments. Our findings present the first example of carotenoid metabolic engineering in a red eukaryotic microalga and open the possibility for use of C. merolae 10D for simultaneous production of phycocyanin and ketocarotenoid pigments. Abstract Figure

The eukaryotic red alga Cyanidioschyzon merolae 10D is an emerging algal host for synthetic biology and metabolic engineering. Its small nuclear genome (16.5 Mb; 4775 genes), low intron content (38), stable transgene expression, and capacity for homologous recombination into its nuclear genome make it ideal for genetic and metabolic engineering endeavors. Here, we present an optimized transformation and selection protocol, which yields single chloramphenicol-resistant transformants in under two weeks. Transformation dynamics and a synthetic modular plasmid toolkit are reported, including several new fluorescent reporters. Techniques for fluorescence reporter imaging and analysis at different scales are presented to facilitate high-throughput screening of C. merolae transformants. We use this plasmid toolkit to overexpress the Ipomoea batatas isoprene synthase and demonstrate the dynamics of engineered volatile isoprene production during different light regimes using multi-port headspace analysis coupled to parallel photobioreactors. This work seeks to promote C. merolae as an algal system for metabolic engineering and future sustainable biotechnological production.

The role and extent of horizontal gene transfer (HGT) in eukaryotes are hotly disputed topics that impact our understanding regarding the origin of metabolic processes and the role of organelles in cellular evolution. We addressed this issue by analyzing 10 novel Cyanidiales genomes and determined that 1% of their gene inventory is HGT-derived. Numerous HGT candidates originated from polyextremophilic prokaryotes that live in similar habitats as the Cyanidiales and encodes functions related to polyextremophily. HGT candidates differ from native genes in GC-content, number of splice sites, and gene expression. HGT candidates are more prone to loss, which may explain the nonexistence of a eukaryotic pan-genome. Therefore, absence of a pan-genome and cumulative effects fail to provide substantive arguments against our hypothesis of recurring HGT followed by differential loss in eukaryotes. The maintenance of 1% HGTs, even under selection for genome reduction underlines the importance of non-endosymbiosis related foreign gene acquisition.

The eukaryotic red alga Cyanidioschyzon merolae 10D is an emerging algal host for synthetic biology and metabolic engineering. Its small nuclear genome (16.5Mb; 4775 genes), low intron content (38), stable transgene expression, and capacity for homologous recombination into its nuclear genome make it ideal for genetic and metabolic engineering endeavors. Here, we present an optimized transformation and selection protocol, which yields single chloramphenicol-resistant transformants in under two weeks. Transformation dynamics and a synthetic modular plasmid toolkit are reported, including several new fluorescent reporters. Techniques for fluorescence reporter imaging and analysis at different scales are presented to facilitate high-throughput screening of C. merolae transformants. We use this plasmid toolkit to overexpress the Ipomoea batatas isoprene synthase and demonstrate the dynamics of engineered volatile isoprene production during different light regimes using multi-port headspace analysis coupled to parallel photobioreactors. This work seeks to promote C. merolae as an algal system for metabolic engineering and future sustainable biotechnological production.