ABSTRACT Despite the obstacles facing marine colonists, most lineages of aquatic organisms have colonized and diversified in freshwaters repeatedly. These transitions can trigger rapid morphological or physiological change and, on longer timescales, lead to increased rates of speciation and extinction. Diatoms are a lineage of ancestrally marine microalgae that have diversified throughout freshwater habitats worldwide. We generated a phylogenomic dataset of genomes and transcriptomes for 59 diatom taxa to resolve freshwater transitions in one lineage, the Thalassiosirales. Although most parts of the species tree were consistently resolved with strong support, we had difficulties resolving a Paleocene radiation, which affected the placement of one freshwater lineage. This and other parts of the tree were characterized by high levels of gene tree discordance caused by incomplete lineage sorting and low phylogenetic signal. Despite differences in species trees inferred from concatenation versus summary methods and codons versus amino acids, traditional methods of ancestral state reconstruction supported six transitions into freshwaters, two of which led to subsequent species diversification. Evidence from gene trees, protein alignments, and diatom life history together suggest that habitat transitions were largely the product of homoplasy rather than hemiplasy, a condition where transitions occur on branches in gene trees not shared with the species tree. Nevertheless, we identified a small set of putatively hemiplasious genes, many of which have been associated with shifts to low salinity, indicating that hemiplasy played a small but potentially important role in freshwater adaptation. Accounting for differences in evolutionary outcomes, in which some taxa became locked into freshwaters while others were able to return to the ocean or become salinity generalists, might help further distinguish different sources of adaptive mutation in freshwater diatoms.

Abstract The salinity gradient separating marine and freshwater environments represents a major ecological divide for microbiota, yet the mechanisms by which marine microbes have adapted to and ultimately diversified in freshwater environments are poorly understood. Here, we take advantage of a natural evolutionary experiment: the colonization of the brackish Baltic Sea by the ancestrally marine diatom Skeletonema marinoi . To understand how diatoms respond to low salinity, we characterized transcriptomic responses of S. marinoi grown in a common garden. Our experiment included eight genotypes from source populations spanning the Baltic Sea salinity cline. Changes in gene expression revealed a shared response to salinity across genotypes, where low salinities induced profound changes in cellular metabolism, including upregulation of carbon fixation and storage compound biosynthesis, and increased nutrient demand and oxidative stress. Nevertheless, the genotype effect overshadowed the salinity effect, as genotypes differed significantly in their response, both in the magnitude and direction of gene expression. Intraspecific differences included regulation of transcription and translation, nitrogen metabolism, cell signaling, and aerobic respiration. The high degree of intraspecific variation in gene expression observed here highlights an important but often overlooked source of biological variation associated with how diatoms respond and adapt to environmental change.

Premise of the study: Diatoms are one of the most species-rich lineages of microbial eukaryotes. Similarities in clade age, species richness, and contributions to primary production motivate comparisons to flowering plants, whose genomes have been inordinately shaped by whole genome duplication (WGD). These events that have been linked to speciation and increased rates of lineage diversification, identifying WGDs as a principal driver of angiosperm evolution. We synthesized a relatively large but scattered body of evidence that, taken together, suggests that polyploidy may be common in diatoms. Methods: We used data from gene counts, gene trees, and patterns of synonymous divergence to carry out the first large-scale phylogenomic analysis of genome-scale duplication histories for a phylogenetically diverse set of 37 diatom taxa. Key results: Several methods identified WGD events of varying age across diatoms, though determining the exact number and placement of events and, more broadly, inferences of WGD at all, were greatly impacted by gene-tree uncertainty. Gene-tree reconciliations supported allopolyploidy as the predominant mode of polyploid formation, with particularly strong evidence for ancient allopolyploid events in the thalassiosiroid and pennate diatom clades. Conclusions: Whole genome duplication appears to have been an important driver of genome evolution in diatoms. Denser taxon sampling will better pinpoint the timing of WGDs and likely reveal many more of them. We outline potential challenges in reconstructing paleopolyploid events in diatoms that, together with these results, offer a framework for understanding the evolutionary roles of genome duplication in a group that likely harbors substantial genomic diversity.

Abstract Although most of the tens of thousands of diatom species are obligate photoautotrophs, many mixotrophic species can also use extracellular organic carbon for growth, and a small number of obligate heterotrophs have lost photosynthesis entirely. We sequenced the genome of a nonphotosynthetic diatom, Nitzschia sp. strain Nitz4, to determine how carbon metabolism was altered in the wake of this rare and radical trophic shift in diatoms. Like other groups that have lost photosynthesis, the genomic consequences were most evident in the plastid genome, which is exceptionally AT-rich and missing photosynthesis-related genes. The relatively small (27 Mb) nuclear genome did not differ dramatically from photosynthetic diatoms in gene or intron density. Genome-based models suggest that central carbon metabolism, including a central role for the plastid, remains relatively intact in the absence of photosynthesis. All diatom plastids lack an oxidative pentose phosphate pathway (PPP), leaving photosynthesis as the main source of plastid NADPH. Consequently, nonphotosynthetic diatoms lack the primary source of NADPH required for essential biosynthetic pathways that remain in the plastid. Genomic models highlighted similarities between nonphotosynthetic diatoms and apicomplexan parasites for provisioning NADPH in their plastids. The ancestral absence of a plastid PPP might constrain loss of photosynthesis in diatoms compared to Archaeplastida, whose plastid PPP continues to produce reducing cofactors following loss of photosynthesis. Finally, Nitzschia possesses a complete β-ketoadipate pathway. Previously known only from fungi and bacteria, this pathway may allow mixotrophic and heterotrophic diatoms to obtain energy through the degradation of abundant plant-derived aromatic compounds.

ABSTRACT The diatom, Cyclotella cryptica , is a well-established experimental model for physiological studies and, more recently, biotechnology applications of diatoms. To further facilitate its use as a model diatom species, we report an improved reference genome assembly and annotation for C. cryptica strain CCMP332. We used a combination of long- and short-read sequencing to assemble a high-quality and contaminant-free genome. The genome is 171 Mb in size and consists of 662 scaffolds with a scaffold N50 of 494 kb. This represents a 176-fold decrease in scaffold number and 41-fold increase in scaffold N50 compared to the previous assembly. The genome contains 21,250 predicted genes, 75% of which were assigned putative functions. Repetitive DNA comprises 59% of the genome, and an improved classification of repetitive elements indicated that a historically steady accumulation of transposable elements has contributed to the relatively large size of the C. cryptica genome. The high-quality C. cryptica genome will serve as a valuable reference for ecological, genetic, and biotechnology studies of diatoms. Data available from NCBI BioProjects PRJNA628076 and PRJNA589195

Marine phytoplankton play essential roles in global primary production and biogeochemical cycles. Yet, the evolutionary genetic underpinnings of phytoplankton adaptation to complex marine and coastal environments, where many environmental variables fluctuate and interact, remain unclear. We combined population genomics data with experimental transcriptomics to investigate the genomic basis underlying a natural evolutionary experiment that has played out over the past 8,000 years in one of the world9s largest brackish water bodies: the colonization of the Baltic Sea by the marine diatom Skeletonema marinoi. To this end, we used a novel approach for protist population genomics, combining target capture of the entire nuclear genome with pooled sequencing, and showed that the method performs well on both cultures and single cells. Genotype-environment association analyses identified >3,000 genes with signals of selection in response to major environmental gradients in the Baltic Sea, which apart from salinity, include marked differences in temperature and nutrient availability. Locally adapted genes were related to diverse metabolic processes, including signal transduction, cell cycle, DNA methylation, and maintenance of homeostasis. The locally adapted genes showed significant overlap with salinity-responsive genes identified in a laboratory common garden experiment, suggesting the Baltic salinity gradient is a major factor driving local adaptation of S. marinoi. Altogether, our data show that local adaptation of phytoplankton to complex coastal environments, which are characterized by a multitude of environmental gradients, is driven by intricate changes in diverse metabolic pathways and functions.

Loss of photosynthesis is a common and often repeated trajectory in nearly all major groups of photosynthetic eukaryotes. One small subset of 'apochlorotic' diatoms in the genus Nitzschia have lost their ability to photosynthesize and require extracellular carbon for growth. Similar to other secondarily nonphotosynthetic taxa, apochloritic diatoms maintain colorless plastids with highly reduced plastid genomes. Although the narrow taxonomic breadth of apochloritic diatoms suggests a single loss of photosynthesis in the common ancestor of these species, previous phylogenetic analyses suggested that photosynthesis was lost multiple times. We sequenced additional phylogenetic markers from the nuclear and mitochondrial genomes for a larger set of taxa and found that the best trees for datasets representing all three genetic compartments provided low to moderate support for monophyly of apochlorotic Nitzschia, consistent with a single loss of photosynthesis in diatoms. We sequenced the plastid genome of one apochloritic species and found that it was highly similar in all respects to the plastid genome of another apochloritic Nitzschia species, indicating that streamlining of the plastid genome had completed prior to the split of these two species. Finally, it is increasingly clear that some locales host relatively large numbers apochloritic Nitzschia species that span the phylogenetic diversity of the group, indicating that these species co-exist because of resource abundance or resource partitioning in ecologically favorable habitats. A better understanding of the phylogeny and ecology of this group, together with emerging genomic resources, will help identify the factors that have driven and maintained the loss of photosynthesis in this group, a rare event in diatoms.