Abstract Adaptation is driven by the selection for beneficial mutations that provide a fitness advantage in the specific environment in which a population is evolving. However, environments are rarely constant or predictable. When an organism well adapted to one environment finds itself in another, pleiotropic effects of mutations that made it well adapted to its former environment will affect its success. To better understand such pleiotropic effects, we evolved both haploid and diploid barcoded budding yeast populations in multiple environments, isolated adaptive clones, and then determined the fitness effects of adaptive mutations in “non-home” environments in which they were not selected. We find that pleiotropy is common, with most adaptive evolved lineages showing fitness effects in non-home environments. Consistent with other studies, we find that these pleiotropic effects are unpredictable: they are beneficial in some environments and deleterious in others. However, we do find that lineages with adaptive mutations in the same genes tend to show similar pleiotropic effects. We also find that ploidy influences the observed adaptive mutational spectra in a condition-specific fashion. In some conditions, haploids and diploids are selected with adaptive mutations in identical genes, while in others they accumulate mutations in almost completely disjoint sets of genes.

Abstract Approximately one-third of global CO 2 fixation occurs in a phase separated algal organelle called the pyrenoid. Existing data suggest that the pyrenoid forms by the phase-separation of the CO 2 -fixing enzyme Rubisco with a linker protein; however, the molecular interactions underlying this phase-separation remain unknown. Here we present the structural basis of the interactions between Rubisco and its intrinsically disordered linker protein EPYC1 (Essential Pyrenoid Component 1) in the model alga Chlamydomonas reinhardtii . We find that EPYC1 consists of five evenly-spaced Rubisco-binding regions that share sequence similarity. Single-particle cryo-electron microscopy of one of these regions in complex with Rubisco indicates that each Rubisco holoenzyme has eight binding sites for EPYC1, one on each Rubisco small subunit. Interface mutations disrupt binding, phase separation, and pyrenoid formation. Cryo-electron tomography supports a model where EPYC1 and Rubisco form a co-dependent multivalent network of specific low-affinity bonds, giving the matrix liquid-like properties. Our results advance the structural and functional understanding of the phase separation underlying the pyrenoid, an organelle that plays a fundamental role in the global carbon cycle.