ABSTRACT Despite its small size, the water fern Azolla is a giant among plant symbioses. Within each of its leaflets, a specialized leaf cavity is home to a population of nitrogen-fixing cyanobacteria (cyanobionts). While examples of nitrogen fixing cyanobionts are found across the land plant tree of life, Azolla is unique in that its symbiosis is perpetual: the cyanobionts are inherited during sexual and vegetative propagation of the fern. What underpins the communication between the two partners? In angiosperms, the phytohormone salicylic acid (SA) is a well-known regulator of plant–microbe interactions. Using HPLC-MS/MS, we pinpoint the presence of SA in the fern; using comparative genomics and phylogenetics, we mined homologs of SA biosynthesis genes across Chloroplastida (Viridiplantae). While canonical isochorismate synthase (ICS) sequences are largely limited to angiosperms, homologs for the entire Phenylalanine ammonia-lyase (PAL)-dependent pathway likely existed in the last common ancestor of land plants. Indeed, A. filiculoides secondarily lost its ICS, but has the genetic competence to derive SA from benzoic acid. Global gene expression data from cyanobiont-containing and -free A. filiculoides unveil a putative feedback loop: SA appears to induce cyanobacterial proliferation, which in turn down-regulates genes in SA biosynthesis and its responses.

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.

Oomycetes include many well-studied, devastating plant pathogens. Across oomycete diversity, plant-infecting lineages are interspersed by non-pathogenic ones. Unfortunately, our understanding of the evolution of lifestyle switches is hampered by a scarcity of data on the molecular biology of saprotrophic oomycetes, ecologically important primary colonizers of dead tissue that can serve as informative reference points for understanding the evolution of pathogens. Here, we established Salisapilia sapeloensis growing on axenic litter as a tractable system for the study of saprotrophic oomycetes. We generated multiple transcriptomes from S. sapeloensis and compared them to (a) 22 oomycete genomes and (b) the transcriptomes of eight pathogenic oomycetes grown under 13 conditions (three pathogenic lifestyles, six hosts/substrates, and four tissues). From these analyses we obtained a global perspective on the gene expression signatures of oomycete lifestyles. Our data reveal that oomycete saprotrophs and pathogens use generally similar molecular mechanisms for colonization, but exhibit distinct expression patterns. We identify S. sapeloensis' specific array and expression of carbohydrate-active enzymes and regulatory differences in pathogenicity-associated factors, including the virulence factor EpiC2B. Further, S. sapeloensis was found to express only a small repertoire of effector genes. In conclusion, our analyses reveal lifestyle-specific gene regulatory signatures and suggest that, in addition to variation in gene content, shifts in gene regulatory networks might underpin the evolution of oomycete lifestyles.

SUMMARY Significant changes have occurred in plant cell wall composition during evolution and diversification of tracheophytes. As the sister lineage to seed plants, knowledge on the cell wall of ferns is key to track evolutionary changes across tracheophytes and to understand seed plant-specific evolutionary innovations. Fern cell wall composition is not fully understood, including limited knowledge of glycoproteins such as the fern arabinogalactan-proteins (AGPs). Here, we characterize the AGPs from the leptosporangiate fern genera Azolla , Salvinia and Ceratopteris . The carbohydrate moiety of seed plant AGPs consists of a galactan backbone including mainly 1,3- and 1,3,6-linked pyranosidic galactose, which is conserved across the investigated fern AGPs. Yet, unlike AGPs of angiosperms, those of ferns contained the unusual sugar 3- O -methylrhamnose. Besides terminal furanosidic Ara (Ara f ), the main linkage type of Ara f in the ferns was 1,2-linked Ara f , whereas in seed plants 1,5-linked Ara f is often dominating. Antibodies directed against carbohydrate epitopes of AGPs supported the structural differences between AGPs of ferns and seed plants. Comparison of AGP linkage types across the streptophyte lineage showed that angiosperms have rather conserved monosaccharide linkage types; by contrast bryophytes, ferns and gymnosperms showed more variability. Phylogenetic analyses of glycosyltransferases involved in AGP biosynthesis and bioinformatic search for AGP protein backbones revealed a versatile genetic toolkit for AGP complexity in ferns. Our data reveal important differences across AGP diversity which functional significance is unknown. This diversity sheds light on the evolution of the hallmark feature of tracheophytes: their elaborate cell walls. SIGNIFICANCE STATEMENT Ferns are the sister lineage of seed plants and key to understanding plant evolution. To understand ferns’ unique cell walls, we analysed arabinogalactan-proteins from the fern genera Azolla , Salvinia and Ceratopteris . Comparison of AGP structures throughout the streptophyte lineage reveals special features in relation to systematic positions and proposes a trend to more hydrophilic AGPs in course of evolution. Through comparative genomic analyses, we pinpoint the potential genetic players for this diversity in cell walls.