Summary

 Land plants evolved from charophytic algae, among which Charophyceae possess the most complex body plans. We present the genome of Chara braunii; comparison of the genome to those of land plants identified evolutionary novelties for plant terrestrialization and land plant heritage genes. C. braunii employs unique xylan synthases for cell wall biosynthesis, a phragmoplast (cell separation) mechanism similar to that of land plants, and many phytohormones. C. braunii plastids are controlled via land-plant-like retrograde signaling, and transcriptional regulation is more elaborate than in other algae. The morphological complexity of this organism may result from expanded gene families, with three cases of particular note: genes effecting tolerance to reactive oxygen species (ROS), LysM receptor-like kinases, and transcription factors (TFs). Transcriptomic analysis of sexual reproductive structures reveals intricate control by TFs, activity of the ROS gene network, and the ancestral use of plant-like storage and stress protection proteins in the zygote.

Ferns are the closest sister group to all seed plants, yet little is known about their genomes other than that they are generally colossal. Here, we report on the genomes of Azolla filiculoides and Salvinia cucullata (Salviniales) and present evidence for episodic whole-genome duplication in ferns-one at the base of 'core leptosporangiates' and one specific to Azolla. One fern-specific gene that we identified, recently shown to confer high insect resistance, seems to have been derived from bacteria through horizontal gene transfer. Azolla coexists in a unique symbiosis with N2-fixing cyanobacteria, and we demonstrate a clear pattern of cospeciation between the two partners. Furthermore, the Azolla genome lacks genes that are common to arbuscular mycorrhizal and root nodule symbioses, and we identify several putative transporter genes specific to Azolla-cyanobacterial symbiosis. These genomic resources will help in exploring the biotechnological potential of Azolla and address fundamental questions in the evolution of plant life.

Cyanobacteria forged two major evolutionary transitions with the invention of oxygenic photosynthesis and the bestowal of photosynthetic lifestyle upon eukaryotes through endosymbiosis. Information germane to understanding those transitions is imprinted in cyanobacterial genomes, but deciphering it is complicated by lateral gene transfer (LGT). Here, we report genome sequences for the morphologically most complex true-branching cyanobacteria, and for Scytonema hofmanni PCC 7110, which with 12,356 proteins is the most gene-rich prokaryote currently known. We investigated components of cyanobacterial evolution that have been vertically inherited, horizontally transferred, and donated to eukaryotes at plastid origin. The vertical component indicates a freshwater origin for water-splitting photosynthesis. Networks of the horizontal component reveal that 60% of cyanobacterial gene families have been affected by LGT. Plant nuclear genes acquired from cyanobacteria define a lower bound frequency of 611 multigene families that, in turn, specify diazotrophic cyanobacterial lineages as having a gene collection most similar to that possessed by the plastid ancestor.

Abstract Plant and algae plastids evolved from the endosymbiotic integration of a cyanobacterium by a heterotrophic eukaryote. A consequence of their ancestry is that new plastids can only emerge through fission and vital to organelle and host co-evolution was the early synchronization of bacterial division with the host’s eukaryotic cell cycle. Most of the sampled algae, including multicellular macroalgae, house a single plastid per cell — or nucleus in case of coenocytic cells — and basal branching relatives of polyplastidic lineages are all monoplastidic. The latter is also true regarding embryophytes, as some non-vascular plants are monoplastidic at least at some stage of their life cycle. Here we synthesize recent advances regarding plastid division and associated proteins, including those of the peptidoglycan wall biosynthesis, across the diversity of phototrophic eukaryotes. Through the comparison of the phenotype of 131 species harbouring plastids of primary or secondary origin, we uncover that one prerequisite for an algae or plant to house multiple plastids per nucleus appears the loss of the genes MinD and MinE from the plastid genome. Housing a single plastid whose division is coupled to host cytokinesis appears a prerequisite of plastid emergence; escaping that monoplastidic bottleneck succeeded rarely and appears tied to evolving a complex morphology. Considering how little we know about the mechanisms that guarantee proper organelle (and genome) inheritance raises the peculiar possibility that a quality control checkpoint of plastid transmission remains to be explored and which is tied to understanding the monoplastidic bottleneck.

Abstract The last eukaryote common ancestor (LECA) lived 1.6 billion years ago 1,2 . It possessed nuclei, sex, an endomembrane system, mitochondria, and all key traits that make eukaryotic cells more complex than their prokaryotic ancestors 2–6 . The closest known relatives of the host lineage that acquired the mitochondrion are, however, small obligately symbiotic archaea that lack any semblance of eukaryotic cell complexity 7 . Although the steep evolutionary grade separating prokaryotes from eukaryotes increasingly implicates mitochondrial symbiosis at eukaryote origin 4,7 , the timing and evolutionary significance of mitochondrial origin remains debated. Gradualist theories contend that eukaryotes arose from archaea by slow accumulation of eukaryotic traits 8–10 with mitochondria arriving late 11 , while symbiotic theories have it that mitochondria initiated the onset of eukaryote complexity in a non-nucleated archaeal host 7 by gene transfers from the organelle 4,12–14 . The evolutionary process leading to LECA should be recorded in its gene duplications. Among 163,545 duplications in 24,571 gene trees spanning 150 sequenced eukaryotic genomes we identified 713 gene duplication events that occurred in LECA. LECA’s bacterially derived genes were duplicated more frequently than archaeal derived or eukaryote specific genes, reflecting the serial copying 15,16 of genes from the mitochondrial endosymbiont to the archaeal host’s chromosomes prior to the onset of eukaryote genome complexity. Bacterial derived genes for mitochondrial functions, lipid synthesis, biosynthesis, as well as core carbon and energy metabolism in LECA were duplicated more often than archaeal derived genes and even more often than eukaryote-specific inventions for endomembrane, cytoskeletal or cell cycle functions. Gene duplications record the sequence of events at LECA’s origin and indicate that recurrent gene transfer from a resident mitochondrial endosymbiont preceded the onset of eukaryotic cellular complexity.

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 Manganese (Mn) is key to oxygenic photosynthesis as it catalyzes the splitting of water in photosystem II and functions as cofactor of multiple enzymes. A single ABC-type transporter, MntCAB, is so far established for the uptake of the metal under limiting conditions in cyanobacteria. It is unknown, how Mn is imported under replete conditions. We identified two proteins in the model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803, which are homologous to the unknown protein family 0016 (UPF0016) member manganese exporter (Mnx). In contrast to Mnx, which consists of six transmembrane domains, the new candidate proteins contain only three transmembrane domains. Hence, we named them hemi manganese exporter (Hmx) 1 and 2. Knock-out mutants in hmx1 and/or hmx2 showed sensitivity toward low Mn supplementation, and reduced intracellular Mn pools. Additional deletion of mntC hindered the cells to thrive unless external Mn was added and enhanced the depletion of their intracellular Mn pool. In accordance with the observed localization of Hmx1 and Hmx2 in the plasma membrane, we postulate a Mn uptake function for a heteromeric Hmx1/2 across the plasma membrane under a wide range of Mn concentrations and a supporting role for the MntCAB system under Mn-limiting conditions. On the basis of their phylogenies, we propose that Hmx1 and Hmx2 are the ancestral progenitors of eukaryote-type UPF0016 proteins with six transmembrane domains. The Mn transport function of Hmx1/2 underscores this as fundamental ancient feature of the UPF0016 family. Likely, Hmx1 and Hmx2 coevolved with the internalization of the oxygen-evolving complex.

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.

Metagenomic studies have claimed the existence of novel lineages with unprecedented properties never before observed in prokaryotes. Such lineages include Asgard archaea, which are claimed to represent archaea with eukaryotic cell complexity, and the Candidate Phyla Radiation (CPR), a novel domain level taxon erected solely on the basis of metagenomic data. However, it has escaped the attention of most biologists that these metagenomic sequences are not assembled into genomes by sequence overlap, as for cultured archaea and bacteria. Instead, short contigs are sorted into computer files by a process called binning in which they receive taxonomic assignment on the basis of sequence properties like GC content, dinucleotide frequencies, and stoichiometric co-occurrence across samples. Consequently, they are not genome sequences as we know them, reflecting the gene content of real organisms. Rather they are metagenome assembled genomes (MAGs). Debates that Asgard data are contaminated with individual eukaryotic sequences are overshadowed by the more pressing issue that no evidence exists to indicate that any sequences in binned Asgard MAGs actually stem from the same chromosome, as opposed to simply stemming from the same environment. Here we show that Asgard and CPR MAGs fail spectacularly to meet the most basic phylogenetic criterion fulfilled by genome sequences of all cultured prokaryotes investigated to date: the ribosomal proteins of Asgard and CPR MAGs do not share common evolutionary histories. Their phylogenetic behavior is anomalous to a degree never observed with genomes of real organisms. CPR and Asgard MAGs are binning artefacts, assembled from environments where up to 90% of the DNA is from dead cells. Asgard and CPR MAGs are unnatural constructs, genome-like patchworks of genes that have been stitched together into computer files by binning.

Abstract Elysia chlorotica is a kleptoplastic sea slug that preys on Vaucheria litorea , stealing its plastids which then continue to photosynthesize for months inside the animal cells. We investigated the native properties of V. litorea plastids to understand how they withstand the rigors of photosynthesis in isolation. Transcription of specific genes in laboratory-isolated V. litorea plastids was monitored up to seven days. The involvement of plastid-encoded FtsH, a key plastid maintenance protease, in recovery from photoinhibition in V. litorea was estimated in cycloheximide-treated cells. In vitro comparison of V. litorea and spinach thylakoids was applied to investigate ROS formation in V. litorea . Isolating V. litorea plastids triggered upregulation of ftsH and translation elongation factor EF-Tu ( tufA ). Upregulation of FtsH was also evident in cycloheximide-treated cells during recovery from photoinhibition. Charge recombination in PSII of V. litorea was found to be fine-tuned to produce only small quantities of singlet oxygen ( 1 O 2 ). Our results support the view that the genetic characteristics of the plastids themselves are crucial in creating a photosynthetic sea slug. The plastid’s autonomous repair machinery is likely enhanced by low 1 O 2 production and by upregulation of FtsH in the plastids. Highlight Isolated Vaucheria litorea plastids exhibit upregulation of tufA and ftsH , key plastid maintenance genes, and produce only little singlet oxygen. These factors likely contribute to plastid longevity in kleptoplastic slugs.