Abstract Dinoflagellates are a diverse group of ecologically significant micro-eukaryotes, prone to the loss and replacement of their plastids via serial endosymbiosis. One such replacement took place in the ancestors of the Kareniaceae, which harbor haptophyte-derived plastids containing the pigment fucoxanthin, instead of the ancestral peridinin dinoflagellate plastid. The metabolic functions of the fucoxanthin plastid are performed by a diverse range of nucleus-encoded and plastid-targeted proteins, which may originate from the haptophyte ancestor of the fucoxanthin plastid, the peridinin-containing ancestor of the dinoflagellate host, and/or from lateral gene transfers. However, the evolutionary composition of fucoxanthin plastid proteomes across the diversity of kareniacean dinoflagellates remains poorly understood. Here, we determine the total composition of the plastid proteomes of seven distantly-related kareniacean dinoflagellates, including newly-sequenced members of three genera ( Karenia, Karlodinium , and Takayama ). Using a custom plastid-targeting predictor, automatic single-gene tree building and phylogenetic sorting of plastid-targeted proteins, we project relatively limited (~10%) and functionally distinctive contributions of the haptophyte endosymbiont to the fucoxanthin plastid proteome, in comparison to plastid-targeted proteins of dinoflagellate host origin. Considering a concatenated multigene phylogeny of haptophyte-derived plastid proteins, we show that the haptophyte order Chrysochromulinales is the closest living relative of the fucoxanthin plastid donor. We additionally perform detailed analyses of the N-terminal targeting sequences of kareniacean plastid signal peptides, reporting a surprisingly high sequence conservation. Finally, considering planetary-scale distributions of key kareniacean genera and haptophyte orders from Tara Oceans, we suggest ecological and mechanistic factors accompanying the endosymbiotic acquisition of the fucoxanthin plastid.

Abstract The Arctic Ocean is being impacted by warming temperatures, increasing freshwater and highly variable ice conditions. The microalgal communities underpinning Arctic marine food webs, once thought to be dominated by diatoms, include a phylogenetically diverse range of small algal species, whose biology remains poorly understood. Here, we present genome sequences of a cryptomonad, a haptophyte, a chrysophyte, and a pelagophyte, isolated from the Arctic water column and ice. Comparing protein family distributions and sequence similarity across a densely-sampled set of algal genomes and transcriptomes, we note striking convergences in the biology of distantly related small Arctic algae, compared to non-Arctic relatives; although this convergence is largely exclusive of Arctic diatoms. Using high-throughput phylogenetic approaches, incorporating environmental sequence data from Tara Oceans, we demonstrate that this convergence was partly explained by horizontal gene transfers (HGT) between Arctic species, in over at least 30 other discrete gene families, and most notably in ice-binding domains (IBD). These Arctic-specific genes have been repeatedly transferred between Arctic algae, and are independent of equivalent HGTs in the Antarctic Southern Ocean. Our data provide insights into the specialized Arctic marine microbiome, and underlines the role of geographically-limited HGT as a driver of environmental adaptation in eukaryotic algae.

Organic carbon fixed in chloroplasts through the Calvin-Benson-Bassham Cycle can be diverted towards different metabolic fates, including cyoplasmic and mitochondrial respiration, gluconeogenesis, and synthesis of diverse plastid metabolites via the pyruvate hub. In plants, pyruvate is principally produced via cytoplasmic glycolysis, although a plastid-targeted lower glycolytic pathway is known to exist in non-photosynthetic tissue. Here, we characterized a lower plastid glycolysis-gluconeogenesis pathway enabling the direct interconversion of glyceraldehyde-3-phosphate and phospho-enol-pyruvate in diatoms, ecologically important marine algae distantly related to plants. We show that two reversible enzymes required to complete diatom plastid glycolysis-gluconeogenesis, Enolase and bis-phospho-glycerate mutase (PGAM), originated through duplications of mitochondria-targeted respiratory isoforms. Through CRISPR-Cas9 mutagenesis, integrative 'omic analyses, and measured kinetics of expressed enzymes in the diatom Phaeodactylum tricornutum, we present evidence that this pathway diverts plastid glyceraldehyde-3-phosphate into the pyruvate hub, and may also function in the gluconeogenic direction. Considering experimental data, we show that this pathway has different roles dependent in particular on day length and environmental temperature, and show that the cpEnolase and cpPGAM genes are expressed at elevated levels in high latitude oceans where diatoms are abundant. Our data provide evolutionary, meta-genomic and functional insights into a poorly understood yet evolutionarily recurrent plastid metabolic pathway.

Abstract Organic carbon fixed in chloroplasts through the Calvin Cycle can be diverted towards different metabolic fates, including cytoplasmic and mitochondrial respiration; gluconeogenesis; and synthesis of diverse plastid metabolites via the pyruvate hub. In plants, pyruvate is principally produced via cytoplasmic glycolysis, although a plastid-targeted lower glycolytic pathway is known in non-photosynthetic tissue. Here, we characterize a lower plastid glycolytic-gluconeogenesis pathway in diatoms, ecologically important marine algae distantly related to plants. We show that two reversible enzymes required to complete diatom plastid glycolysis-gluconeogenesis, Enolase and PGAM ( bis- phospho-glycerate mutase), originated through duplications of mitochondria-targeted respiratory isoforms. Through CRISPR-Cas9 mutagenesis, integrative ‘omic analyses, and measured kinetics of expressed enzymes in the diatom Phaeodactylum tricornutum , we present evidence that this pathway diverts plastid glyceraldehyde-3-phosphate into the pyruvate hub, and may also function in the gluconeogenic direction. Considering experimental data, we show that this pathway has different roles dependent in particular on day length and environmental temperature, and show that it is expressed at elevated levels in high latitude oceans where diatoms are abundant. Our data provide evolutionary, meta-genomic and functional insights into a poorly understood yet evolutionarily recurrent plastid metabolic pathway.

Abstract Phytoplankton account for >45% of global primary production, and have an enormous impact on aquatic food webs and on the entire Earth System. Their members are found among prokaryotes (cyanobacteria) and multiple eukaryotic lineages containing chloroplasts. Phytoplankton communities are generally studied by PCR amplification of bacterial (16S), nuclear (18S) or chloroplastic (16S) rRNA marker genes from DNA extracted from environmental samples. However, our appreciation of phytoplankton abundance or biomass is limited by PCR-amplification biases, rRNA gene copy number variations across taxa, and the fact that rRNA genes do not provide insights into metabolic traits such as photosynthesis. In addition, rRNA marker genes fail to capture both cyanobacteria and photosynthetic eukaryotes simultaneously. Here, we targeted the photosynthetic gene psbO from metagenomes to circumvent these limitations: the method is PCR-free, and the gene is universally and exclusively present in photosynthetic prokaryotes and eukaryotes, mainly in one copy per genome. We applied and validated this new strategy with the Tara Oceans datasets, and showed improved correlations with flow cytometry and microscopy than when based on rRNA genes. Furthermore, we revealed unexpected features of the ecology of these organisms, such as the high abundance of picocyanobacterial aggregates and symbionts in the ocean, and the decrease in relative abundance of phototrophs towards the larger size classes of marine dinoflagellates. To facilitate the incorporation of psbO in molecular-based surveys, we compiled a curated database of >18,000 unique sequences. Overall, psbO appears to be a promising new gene marker for molecular-based evaluations of entire phytoplankton communities.

ABSTRACT The dynamic movement of cell organelles is an important and poorly understood component of cellular organisation and metabolism. In this work we present a non-invasive non-destructive method (Dynamic Cell Imaging, DCI) based on light scattering and interferometry to monitor dynamic events within photosynthetic cells using the diatom Phaeodactylum tricornutum as a model system. For this monitoring we acquire few seconds movies of the signals that are related to the motion of dynamic structures within the cell (denoted scatterers), followed by a statistical analysis of each pixel time series. Illuminating P . tricornutum with LEDs of different wavelengths associated to short pulsed or continuous-wave modes of illumination revealed that dynamic movements depend on chloroplast activity, in agreement with the reduction in the number of pixels with dynamic behaviour after addition of photosystemII inhibitors. We studied P. tricornutum under two environmentally relevant stresses, iron and phosphate deficiency. The major dynamic sites were located within lipid droplets and chloroplast envelope membranes. By comparing standard deviation and cumulative sum analysis of the time series, we showed that within the droplets two types of scatterer movement could be observed: random motions (Brownian type) but also anomalous movements corresponding to a drift which may relate to molecular fluxes within a cell. The method appears valuable for studying the effects of various environments on a large variety of microalgae in the laboratory as well as in natural aquatic environments. HIGHLIGHTs Light scattering an alternative to fluorescence to rapidly evidence dynamic processes. Lipid droplets the major metabolic active sites under stress A non-destructive visualisation method for laboratory microalgae and aquatic samples.. SIGNIFICANCE STATEMENT Light scattering could be an alternative to fluorescence techniques to study dynamic processes within photosynthetic cells. We used a method combining light scattering and interferometry to analyse movements of intracellular scatterers in the marine diatom Phaedactylum tricornutum under two environmentally relevant stresses, iron and phosphate deficiency. Lipid droplets were the major active sites under stress. The method which is rapid and non destructive can be broadly expanded to study other microalgae and their stress responses, in the laboratory and in aquatic environments.

The authors have withdrawn this manuscript due to a duplicate posting of manuscript number BIORXIV/2022/507166. Therefore, the authors do not wish this work to be cited as reference for the project. If you have any questions, please contact the corresponding author. The correct preprint can be found at doi: 10.1101/2022.09.08.507166

Abstract Diatoms are one of the most successful and ecologically important groups of eukaryotic phytoplankton in the modern ocean. Deciphering their genomes is a key step towards better understanding of their biological innovations, evolutionary origins, and ecological underpinnings. Here, we have used 90 RNA-Seq datasets from different growth conditions combined with published expressed sequence tags and protein sequences from multiple taxa to explore the genome of the model diatom Phaeodactylum tricornutum, and introduce 1,489 novel genes. The new annotation additionally permitted the discovery for the first time of extensive alternative splicing (AS) in diatoms, including intron retention and exon skipping which increases the diversity of transcripts to regulate gene expression in response to nutrient limitations. In addition, we have used up-to-date reference sequence libraries to dissect the taxonomic origins of diatom genomes. We show that the P. tricornutum genome is replete in lineage-specific genes, with up to 47% of the gene models present only possessing orthologues in other stramenopile groups. Finally, we have performed a comprehensive de novo annotation of repetitive elements showing novel classes of TEs such as SINE, MITE, LINE and TRIM/LARD. This work provides a solid foundation for future studies of diatom gene function, evolution and ecology.

Abstract Eukaryotic cell biology is largely understood from paradigms established on few model organisms, largely from the animal and fungi (opisthokonts) and to a lesser extent plants. These organisms, however, constitute only a small proportion of eukaryotic diversity, and the principles of their cell biology may not be universal to other, understudied but globally impactful, organisms. Intriguingly, there are cellular components that are present in diverse eukaryotes, but are not in the animals and fungi on which the best developed models of cell biology are derived. Consequently, these components are not included in the generally adopted frameworks of cellular function that are meant to explain eukaryotic biology. The membrane complex TSET is the best studied such example, well established to play a role in cell division and endocytosis in plants. It is found across eukaryotes, but is highly reduced in opisthokonts. Its general prevalence, abundance, and relevance in eukaryotic cellular activity is unclear. Here we show that TSET is encoded in genomes of five cosmopolitan and critical groups of primarily photosynthetic eukaryotes (green algae, red algae, stramenopiles, haptophytes and cryptophytes), with particular prevalence in the green algae and some stramenopile groups. A meta-analysis of published gene expression data from the model diatom Phaeodactylum tricornutum shows that this complex is coregulated with components of the endomembrane trafficking machinery. Moreover, meta-transcriptomic data from Tara Oceans reveals that TSET genes are both present and expressed by diatoms in the wild. These data suggest that TSET may be playing an important and underrecognized role in cellular activities within marine ecosystems. More broadly, the results support the idea that use of systems-level data for non-model organisms can illuminate our understanding of core principles of eukaryotic cell function, and may reveal important and under-appreciated players that deserve to be integrated into the pervasive models of cellular capacity.

Abstract Vitamin B 12 , or cobalamin, (hereinafter B 12 ) is an essential organic micronutrient, required by humans as a cofactor for methionine synthase (METH) and for methylmalonyl CoA mutase (MCM), involved in the propionate shunt. B 12 is a complex corrinoid molecule made only by a subset of bacteria. Plants and fungi have an alternative methionine synthase (METE) that does not need a B 12 cofactor, so these organisms are typically considered to neither synthesise nor utilise B 12 . In contrast many algal species utilise B 12 if it is available, because they encode both METE and METH. Moreover, a large proportion of algal species encode METH only, and so are like animals in being dependent on an external source of the vitamin. Here, we performed a detailed phylogenetic analysis of the distribution of METE, METH and eleven further proteins implicated in B 12 metabolism in eukaryotic cells across an exhaustive library of over 1,500 plant and algal genomes and transcriptomes. The results reveal the hitherto undetected existence of B 12 -associated metabolism deep into the streptophytes. The B 12 -dependent synthase METH, and the accessory proteins MTRR, CblB, CblC, CblD and CblJ were detected in the basally divergent plant lineage of hornworts, and CblB and CblJ were further identified in liverworts. Using phylogenetic and PFAM analysis we demonstrate this is due to retention of ancestral B 12 -metabolism pathways in the last common ancestor of land plants, followed by at least two independent complete losses in mosses and vascular plants. We further show more limited distributions of genes encoding B 12 -related proteins across the algal tree of life, including MCM and type II ribonucleotide reductase, alongside an obligate B 12 -dependency across several major marine algal orders. Finally, by considering the functional biology of early-diverging land plants, together with the collection sites of ten further algal species inferred to have lost B 12 -dependent metabolism, we propose freshwater-to-land transitions and symbiotic associations to have been major constraining factors in B 12 availability in early plant evolution.