Abstract Chloroplasts in photosynthetic eukaryotes originated from a cyanobacterial endosymbiosis far more than 1 billion years ago 1-3 . Due to this ancientness, it remains unclear how this evolutionary process proceeded. To unveil this mystery, we analysed the whole genome sequence of a photosynthetic rhizarian amoeba 4 , Paulinella micropora 5,6 , which has a chloroplast-like organelle that originated from another cyanobacterial endosymbiosis 7-10 about 0.1 billion years ago 11 . Here we show that the predacious amoeba that engulfed cyanobacteria evolved into a photosynthetic organism very quickly in the evolutionary time scale, probably aided by the drastic genome reorganization activated by large DNA virus. In the endosymbiotic evolution of eukaryotic cells, gene transfer from the endosymbiont genome to the host nucleus is essential for the evolving host cell to control the endosymbiont-derived organelle 12 . In P. micropora , we found that the gene transfer from the free-living and endosymbiotic bacteria to the amoeba nucleus was rapidly activated but both simultaneously ceased within the initiation period of the endosymbiotic evolution, suggesting that the genome reorganization drastically proceeded and completed. During this period, large DNA virus appeared to have infected the amoeba, followed by the rapid amplification and diversification of virus-related genes. These findings led us to re-examine the conventional endosymbiotic evolutionary scenario that exclusively deals with the host and the symbiont, and to extend it by incorporating a third critical player, large DNA virus, which activates the drastic gene transfer and genome reorganization between them. This Paulinella version of the evolutionary hypothesis deserves further testing of its generality in evolutionary systems and could shed light on the unknown roles of large DNA viruses 13 in the evolution of terrestrial life.

Abstract Horizontal gene transfer can occur between phylogenetically distant organisms, such as prokaryotes and eukaryotes. In these cases, how do the translocated genes acquire transcriptional competency in the alien eukaryotic genome? According to the conventional view, specific loci of the eukaryotic genome are thought to provide transcriptional competency to the incoming coding sequences. To examine this possibility, we randomly introduced the promoterless luciferase (LUC)-coding sequences into the genome of Arabidopsis thaliana cultured cells and performed a genome-wide “transgene location vs. expression” scan. We mapped 4,504 promoterless LUC inserts on the A. thaliana chromosomes, and found that about 30% of them were transcribed. Only a small portion of them were explained by the conventional transcriptional fusions with the annotated genes, and the remainder occurred in a quite different manner; (1) they occurred all over the chromosomal regions, (2) independently of the insertion sites relative to the annotated gene loci, inherent transcribed regions, or heterochromatic regions, and (3) with one magnitude lower transcriptional level than the conventional transcriptional fusions. This type of transcriptional activation occurred at about 30% of the inserts, raising a question as to what this 30% means. We tested two hypotheses: the activation occurred at 30% of the entire chromosomal regions, or stochastically at 30% of each insertion event. Our experimental analysis indicates that the latter model could explain this transcriptional activation, a new type of plant genome response to the incoming coding sequences. We discuss the possible mechanisms and evolutionary roles of this phenomenon in the plant genome.

Abstract The manner in which inserted foreign coding sequences become transcriptionally activated and fixed in the plant genome is poorly understood. To examine such processes of gene evolution, we performed an artificial evolutionary experiment in Arabidopsis thaliana . As a model of gene-birth events, we introduced a promoterless coding sequence of the firefly luciferase ( LUC ) gene and established 386 T2-generation transgenic lines. Among them, we determined the individual LUC insertion loci in 76 lines and found that one-third of them were transcribed de novo even in the intergenic or inherently unexpressed regions. In the transcribed lines, transcription-related chromatin marks were detected across the newly activated transcribed regions. These results agreed with our previous findings in A. thaliana cultured cells under a similar experimental scheme. A comparison of the results of the T2-plant and cultured cell experiments revealed that the de novo -activated transcription concomitant with local chromatin remodelling was inheritable. During one-generation inheritance, it seems likely that the transcription activities of the LUC inserts trapped by the endogenous genes/transcripts became stronger, while those of de novo transcription in the intergenic/untranscribed regions became weaker. These findings may offer a clue for the elucidation of the mechanism by which inserted foreign coding sequences become transcriptionally activated and fixed in the plant genome.