ABSTRACT The rate and accuracy of translation hinges upon multiple components – including transfer RNA (tRNA) pools, tRNA modifying enzymes, and rRNA molecules – many of which are redundant in terms of gene copy number or function. It has been hypothesized that the redundancy evolves under selection, driven by its impacts on growth rate. However, we lack empirical measurements of the fitness costs and benefits of redundancy, and we have poor understanding of how this redundancy is organized across components. We manipulated redundancy in multiple translation components of Escherichia coli by deleting 28 tRNA genes, 3 tRNA modifying systems, and 4 rRNA operons in various combinations. We find that redundancy in tRNA pools is beneficial when nutrients are plentiful, and costly under nutrient limitation. This nutrient-dependent cost of redundant tRNA genes stems from upper limits to translation capacity and growth rate, and therefore varies as a function of the maximum growth rate attainable in a given nutrient niche. The loss of redundancy in rRNA genes and tRNA modifying enzymes had similar nutrient-dependent fitness consequences. Importantly, these effects are also contingent upon interactions across translation components, indicating a layered hierarchy from copy number of tRNA and rRNA genes to their expression and posttranscriptional modification. Overall, our results indicate both positive and negative selection on redundancy in translation components, depending on a species’ evolutionary history with feasts and famines.

ABSTRACT Phenotypic variation is widespread in natural populations, and can significantly alter their ecology and evolution. Phenotypic variation often reflects underlying genetic variation, but also manifests via non-heritable mechanisms. For instance, translation errors result in about 10% of cellular proteins carrying altered sequences. Thus, proteome diversification arising from translation errors can potentially generate phenotypic variability, in turn increasing variability in the fate of cells or of populations. However, this link remains unverified. We manipulated mistranslation levels in Escherichia coli , and measured phenotypic variability between single cells (individual level variation), as well as replicate populations (population level variation). Monitoring growth and survival, we find that mistranslation indeed increases variation across E. coli cells, but does not consistently increase variability in growth parameters across replicate populations. Interestingly, although any deviation from the wild type (WT) level of mistranslation reduces fitness in an optimal environment, the increased variation is associated with a survival benefit under stress. Hence, we suggest that mistranslation-induced phenotypic variation can impact growth and survival and has the potential to alter evolutionary trajectories.

Abstract Algae and plants carry two organelles of endosymbiotic origin that have been co-evolving in their host cells for more than a billion years. The biology of plastids and mitochondria can differ significantly across major lineages and organelle changes likely accompanied the adaptation to new ecological niches such as the terrestrial habitat. Based on organelle proteome data and the genomes of 168 phototrophic (Archaeplastida) versus a broad range of 518 non-phototrophic eukaryotes, we screened for changes in plastid and mitochondrial biology across one billion years of evolution. Taking into account 331,571 protein families (or orthogroups), we identify 31,625 protein families that are unique to primary plastid-bearing eukaryotes. 1906 and 825 protein families are predicted to operate in plastids and mitochondria, respectively. Tracing the evolutionary history of these protein families through evolutionary time uncovers the significant remodeling the organelles experienced from algae to land plants. The analyses of gained orthogroups identifies molecular adaptations of organelle biology that connect to the diversification of major lineages and facilitated major transitions from chlorophytes en route to the global greening and origin of angiosperms.

Abstract Mitochondria and plastids import thousands of proteins. Their experimental localisation remains a frequent task, but can be resource-intensive and sometimes impossible. Hence, hundreds of studies make use of algorithms that predict a localisation based on a protein’s sequence. Their reliability across evolutionary diverse species is unknown. Here, we evaluate the performance of common algorithms (TargetP, Localizer and WoLFPSORT) for four photosynthetic eukaryotes for which experimental plastid and mitochondrial proteome data is available, and 171 eukaryotes using orthology inferences. The match between predictions and experimental data ranges from 75% to as low as 2%. Results worsen as the evolutionary distance between training and query species increases, especially for plant mitochondria for which performance borders on random sampling. Specificity, sensitivity and precision analyses highlight cross-organelle errors and uncover the evolutionary divergence of organelles as the main driver of current performance issues. The results encourage to train the next generation of neural networks on an evolutionary more diverse set of organelle proteins for optimizing performance and reliability.

Mistranslation is typically deleterious, but can sometimes be beneficial. Although a specific mistranslated protein can confer a short-term benefit in a particular environment, the prevalence of high global mistranslation rates remains puzzling given the large overall cost. Here, we show that generalized mistranslation enhances early E. coli survival under various forms of DNA damage, because it leads to early activation of the DNA damage-induced SOS response. Mistranslating cells therefore maintain larger populations, facilitating later sampling of critical beneficial mutations. Thus, under DNA damage, both basal and induced mistranslation (through genetic or environmental means) increase the number of genetically resistant and phenotypically persistent cells. Surprisingly, mistranslation also increases survival at high temperature. This wide-ranging stress resistance relies on Lon protease, which is revealed as a key effector that induces the SOS response in addition to alleviating proteotoxic stress. The new links between error-prone protein synthesis, DNA damage, and generalised stress resistance indicate surprising coordination between intracellular stress responses, and suggest a novel hypothesis to explain high global mistranslation rates.

ABSTRACT The first plastid evolved from an endosymbiotic cyanobacterium in the common ancestor of the Archaeplastida. The transformative steps from cyanobacterium to organelle included the transfer of control over developmental processes; a necessity for the host to orchestrate, for example, the fission of the organelle. The plastids of almost all embryophytes divide independent from nuclear division, leading to cells housing multiple plastids. Hornworts, however, are monoplastidic (or near-monoplastidic) and their photosynthetic organelles are a curious exception among embryophytes for reasons such as the occasional presence of pyrenoids. Here we screened genomic and transcriptomic data of eleven hornworts for components of plastid developmental pathways. We find intriguing differences among hornworts and specifically highlight that pathway components involved in regulating plastid development and biogenesis were differentially lost in this group of bryophytes. In combination with ancestral state reconstruction, our data suggest that hornworts have reverted back to a monoplastidic phenotype due to the combined loss of two plastid division-associated genes: ARC3 and FtsZ2.