The early evolutionary history of the chloroplast lineage remains an open question. It is widely accepted that the endosymbiosis that established the chloroplast lineage in eukaryotes can be traced back to a single event, in which a cyanobacterium was incorporated into a protistan host. It is still unclear, however, which Cyanobacteria are most closely related to the chloroplast, when the plastid lineage first evolved, and in what habitats this endosymbiotic event occurred. We present phylogenomic and molecular clock analyses, including data from cyanobacterial and chloroplast genomes using a Bayesian approach, with the aim of estimating the age for the primary endosymbiotic event, the ages of crown groups for photosynthetic eukaryotes, and the independent incorporation of a cyanobacterial endosymbiont by Paulinella Our analyses include both broad taxon sampling (119 taxa) and 18 fossil calibrations across all Cyanobacteria and photosynthetic eukaryotes. Phylogenomic analyses support the hypothesis that the chloroplast lineage diverged from its closet relative Gloeomargarita, a basal cyanobacterial lineage, ∼2.1 billion y ago (Bya). Our analyses suggest that the Archaeplastida, consisting of glaucophytes, red algae, green algae, and land plants, share a common ancestor that lived ∼1.9 Bya. Whereas crown group Rhodophyta evolved in the Mesoproterozoic Era (1,600-1,000 Mya), crown groups Chlorophyta and Streptophyta began to radiate early in the Neoproterozoic (1,000-542 Mya). Stochastic mapping analyses indicate that the first endosymbiotic event occurred in low-salinity environments. Both red and green algae colonized marine environments early in their histories, with prasinophyte green phytoplankton diversifying 850-650 Mya.

When cyanobacteria originated and diversified, and what their ancient traits were, remain critical unresolved problems. Here, we used a phylogenomic approach to construct a well-resolved 'core' cyanobacterial tree. The branching positions of four lineages (Thermosynechococcus elongatus, Synechococcus elongatus, Synechococcus PCC 7335 and Acaryochloris marina) were problematic, probably due to long branch attraction artifacts. A consensus genomic tree was used to study trait evolution using ancestral state reconstruction (ASR). The early cyanobacteria were probably unicellular, freshwater, had small cell diameters, and lacked the traits to form thick microbial mats. Relaxed molecular clock analyses suggested that early cyanobacterial lineages were restricted to freshwater ecosystems until at least 2.4 Ga, before diversifying into coastal brackish and marine environments. The resultant increases in niche space and nutrient availability, and consequent sedimentation of organic carbon into the deep oceans, would have generated large pulses of oxygen into the biosphere, possibly explaining why oxygen rose so rapidly. Rapid atmospheric oxidation could have destroyed the methane-driven greenhouse with simultaneous drawdown in pCO(2), precipitating 'Snowball Earth' conditions. The traits associated with the formation of thick, laminated microbial mats (large cell diameters, filamentous growth, sheaths, motility and nitrogen fixation) were not seen until after diversification of the LPP, SPM and PNT clades, after 2.32 Ga. The appearance of these traits overlaps with a global carbon isotopic excursion between 2.2 and 2.1 Ga. Thus, a massive re-ordering of biogeochemical cycles caused by the appearance of complex laminated microbial communities in marine environments may have caused this excursion. Finally, we show that ASR may provide an explanation for why cyanobacterial microfossils have not been observed until after 2.0 Ga, and make suggestions for how future paleobiological searches for early cyanobacteria might proceed. In summary, key evolutionary events in the microbial world may have triggered some of the key geologic upheavals on the Paleoproterozoic Earth.

Abstract Marine planktonic cyanobacteria contributed to the widespread oxygenation of the oceans towards the end of the Pre-Cambrian and their evolutionary origin represents a key transition in the geochemical evolution of the Earth surface. Little is known, however, about the evolutionary events that led to the appearance of marine planktonic cyanobacteria. I present here phylogenomic (135 proteins and two ribosomal RNAs), Bayesian relaxed molecular clock (18 proteins, SSU and LSU) and Bayesian stochastic character mapping analyses from 131 cyanobacteria genomes with the aim to unravel key evolutionary steps involved in the origin of marine planktonic cyanobacteria. While filamentous cell types evolved early on at around 2,600–2,300 Mya and likely dominated microbial mats in benthic environments for most of the Proterozoic (2,500–542 Mya), marine planktonic cyanobacteria evolved towards the end of the Proterozoic and early Phanerozoic. Crown groups of modern terrestrial and/or benthic coastal cyanobacteria appeared during the late Paleoproterozoic to early Mesoproterozoic. Decrease in cell diameter and loss of filamentous forms contributed to the evolution of unicellular planktonic lineages during the middle of the Mesoproterozoic (1,600–1,000 Mya) in freshwater environments. This study shows that marine planktonic cyanobacteria evolved from benthic marine and some diverged from freshwater ancestors during the Neoproterozoic (1,000–542 Mya).

Abstract Photosystem II is a photochemical reaction center that catalyzes the light-driven oxidation of water to molecular oxygen. Water oxidation is the distinctive photochemical reaction that permitted the evolution of oxygenic photosynthesis and the eventual rise of Eukaryotes. At what point during the history of life an ancestral photosystem evolved the capacity to oxidize water still remains unknown. Here we study the evolution of the core reaction center proteins of Photosystem II using sequence and structural comparisons in combination with Bayesian relaxed molecular clocks. Our results indicate that a homodimeric photosystem with sufficient oxidizing power to split water had already appeared in the early Archean about a billion years before the most recent common ancestor of all described Cyanobacteria capable of oxygenic photosynthesis, and well before the diversification of some of the known groups of anoxygenic photosynthetic bacteria. Based on a structural and functional rationale we hypothesize that this early Archean photosystem was capable of water oxidation and had already evolved some level of protection against the formation of reactive oxygen species, which would place primordial forms of oxygenic photosynthesis at a very early stage in the evolutionary history of life.

Introductory paragraph Cyanobacteria oxygenated Earth’s atmosphere during the Great Oxygenation Event (GOE) through oxygenic photosynthesis. Their high iron requirement was presumed met by high levels of Fe(II) in the anoxic Archean ocean. Here we show that most basal Cyanobacteria cannot synthesize the primary Fe(II) transporter, FeoB. Relaxed molecular clock analyses estimate the arrival of FeoB, as well as the Fe(III) transporters, cFTR1 and FutB, in the Cyanobacteria after the GOE. Furthermore Pseudanabaena sp. PCC7367, a basal marine, benthic strain grown under simulated Archean conditions, constitutively expressed cftr1 , even after the addition of Fe(II). By utilizing gene expression studies under a simulated Archean atmosphere, as well as comparative genomics, phylogenetics and molecular clock analyses, this study identified a need to reappraise iron uptake in ancestral Cyanobacteria, as genetic profiling suggests that scavenging of siderophore bound Fe(III), rather than Fe(II), appears to have been the means of iron acquisition prior to the GOE.

Abstract Cyanobacteria are among the most morphologically diverse prokaryotic phyla on Earth. Their morphotypes range from unicellular to multicellular filaments, yet mechanisms underlying the evolution of filamentous morphologies remain unknown. Here, we implement phylogenomic, Bayesian molecular clock and gene-tree-species-tree reconciliation analyses to estimate when genes encoding cell-cell joining structures first evolved. We also characterise septal structures and measure intercellular communication rates in non-model and early-branching filamentous strains. Our results suggest that genes encoding septal proteins (namely sepJ, sepI, and fraE ) and potentially pattern formation ( hetR ) evolved in the Neoarchaean ∼2.6-2.7 billion years (Ga) ago. Later, at the start of the Great Oxygenation Event ∼2.5 Ga, genes involved in cellular differentiation (namely hetZ, patU3 and hglK ) appeared. Our results predict that early-branching lineages like Pseudanabaena were capable of intercellular communication, but further innovations in cellular differentiation were needed to drive ecological expansion on a scale large enough to permanently oxygenate Earth’s atmosphere.

Abstract Cyanobacteria are the only prokaryotes to have evolved oxygenic photosynthesis paving the way for complex life. Studying the evolution and ecological niche of cyanobacteria and their ancestors is crucial for understanding the intricate dynamics of biosphere evolution. These organisms frequently deal with environmental stressors such as salinity and drought, and they employ compatible solutes as a mechanism to cope with these challenges. Compatible solutes are small molecules that help maintain cellular osmotic balance in high salinity environments, such as marine waters. Their production plays a crucial role in salt tolerance, which, in turn, influences habitat preference. Among the five known compatible solutes produced by cyanobacteria (sucrose, trehalose, glucosylglycerol, glucosylglycerate, and glycine betaine), their synthesis varies between individual strains. In this study, we work in a Bayesian stochastic mapping framework, integrating multiple sources of information about compatible solute biosynthesis in order to predict the ancestral habitat preference of Cyanobacteria. Through extensive model selection analyses and statistical tests for correlation, we identify glucosylglycerol and glucosylglycerate as the most significantly correlated with habitat preference, while trehalose exhibits the weakest correlation. Additionally, glucosylglycerol, glucosylglycerate, and glycine betaine show high loss/gain rate ratios, indicating their potential role in adaptability, while sucrose and trehalose are less likely to be lost due to their additional cellular functions. Contrary to previous findings, our analyses predict that the last common ancestor of Cyanobacteria (living at around 3180 Ma) had a 97% probability of a high salinity habitat preference and was likely able to synthesise glucosylglycerol and glucosylglycerate. Nevertheless, cyanobacteria likely colonized low-salinity environments shortly after their origin, with an 89% probability of the first cyanobacterium with low-salinity habitat preference arising prior to the Great Oxygenation Event (2460 Ma). Stochastic mapping analyses provide evidence of cyanobacteria inhabiting early marine habitats, aiding in the interpretation of the geological record. Our age estimate of ~2590 Ma for the divergence of two major cyanobacterial clades (Macro- and Microcyanobacteria) suggests that these were likely significant contributors to primary productivity in marine habitats in the lead-up to the Great Oxygenation Event, and thus played a pivotal role in triggering the sudden increase in atmospheric oxygen.

The evolution of oxygenic photosynthesis during the Archean (4-2.5 Ga), required the presence of complementary reducing pathways to maintain the cellular redox balance. While the timing of the evolution of superoxide dismutases (SODs), enzymes that convert superoxide to hydrogen peroxide, within the Bacteria and Archaea is not resolved, SODs containing copper and zinc in the reaction centre (CuZnSOD) were the first SODs estimated to appear in photosynthetic cyanobacteria, from 2.93 Ga. Here we analysed the SOD gene expression and activity in the deep branching strain, Pseudanabaena sp. PCC7367. It releases more O2 and exhibits significantly higher growth rates (p<0.001) and protein and glycogen contents (p<0.05) under anoxic conditions compared to control cultures grown under present oxygen rich atmospheres in low CO2 (LC) or high CO2 (HC), prompting the question as to whether this correlates to higher cellular SOD activity under anoxic Archean simulated conditions. Expression of sodB encoding an iron containing SOD (FeSOD) and sodC, encoding a CuZnSOD, strongly correlated with increased extracellular O2 levels (p<0.001), while transcription of sodA, encoding a manganese containing (MnSOD), correlated to SOD activity during the day (p=0.019), when medium O2 concentrations were the highest. Cytosolic SOD activity was significantly higher (p<0.001) in anoxic cultures, two hrs before nightfall compared to oxic growth conditions. Night-time combined sodABC transcription in stirred cultures was significantly reduced (p<0.05) under anoxic conditions at elevated CO2 levels, as were medium O2 levels (p < 0.001), when compared to cultures grown under present-day oxic conditions with low CO2. Total cytosolic SOD activity remained comparable, suggesting that the replacement rate of SOD is higher under modern-day conditions than on early Earth. Our data suggest that the early branching cyanobacterium Pseudanabaena sp. PCC7367 may have retained ancestral features permitting it to thrive in its ecological niche as a benthic mat in shallow water marine environments.

Oxygenic photosynthesis starts with the oxidation of water to O2. Cyanobacteria are the only known prokaryotes capable of oxygenic photosynthesis and therefore, it is assumed that water oxidation is a late innovation relative to the origin of life. However, when exactly oxygenic photosynthesis originated remains lively debated. Here we show that the origin of photosystem II, the water-splitting enzyme, occurred at an early stage during the evolution of life and long before the origin of Cyanobacteria. We use relaxed molecular clocks, ancestral sequence reconstruction, and comparative structural biology to demonstrate that photosystem II exhibits patterns of evolution through geological time that are indistinguishable from those of ATP synthase, RNA polymerase, or the ribosome, some of the oldest known enzymes. Our work suggests that water oxidation originated during the establishment of bioenergetics reaching farther into the past than can be documented based on species trees alone.