Significance Early branching events in the diversification of land plants and closely related algal lineages remain fundamental and unresolved questions in plant evolutionary biology. Accurate reconstructions of these relationships are critical for testing hypotheses of character evolution: for example, the origins of the embryo, vascular tissue, seeds, and flowers. We investigated relationships among streptophyte algae and land plants using the largest set of nuclear genes that has been applied to this problem to date. Hypothesized relationships were rigorously tested through a series of analyses to assess systematic errors in phylogenetic inference caused by sampling artifacts and model misspecification. Results support some generally accepted phylogenetic hypotheses, while rejecting others. This work provides a new framework for studies of land plant evolution.

A combination of a sensitive blue light–gated channelrhodopsin actuator and red-shifted Arch-based voltage sensors allows all-optical electrophysiology without cross-talk in cultured neurons or brain slices. All-optical electrophysiology—spatially resolved simultaneous optical perturbation and measurement of membrane voltage—would open new vistas in neuroscience research. We evolved two archaerhodopsin-based voltage indicators, QuasAr1 and QuasAr2, which show improved brightness and voltage sensitivity, have microsecond response times and produce no photocurrent. We engineered a channelrhodopsin actuator, CheRiff, which shows high light sensitivity and rapid kinetics and is spectrally orthogonal to the QuasArs. A coexpression vector, Optopatch, enabled cross-talk–free genetically targeted all-optical electrophysiology. In cultured rat neurons, we combined Optopatch with patterned optical excitation to probe back-propagating action potentials (APs) in dendritic spines, synaptic transmission, subcellular microsecond-timescale details of AP propagation, and simultaneous firing of many neurons in a network. Optopatch measurements revealed homeostatic tuning of intrinsic excitability in human stem cell–derived neurons. In rat brain slices, Optopatch induced and reported APs and subthreshold events with high signal-to-noise ratios. The Optopatch platform enables high-throughput, spatially resolved electrophysiology without the use of conventional electrodes.

The transition to a terrestrial environment, termed terrestrialization, is generally regarded as a pivotal event in the evolution and diversification of the land plant flora that changed the surface of our planet. Through phylogenomic studies, a group of streptophyte algae, the Zygnematophyceae, have recently been recognized as the likely sister group to land plants (embryophytes). Here, we report genome sequences and analyses of two early diverging Zygnematophyceae (Spirogloea muscicola gen. nov. and Mesotaenium endlicherianum) that share the same subaerial/terrestrial habitat with the earliest-diverging embryophytes, the bryophytes. We provide evidence that genes (i.e., GRAS and PYR/PYL/RCAR) that increase resistance to biotic and abiotic stresses in land plants, in particular desiccation, originated or expanded in the common ancestor of Zygnematophyceae and embryophytes, and were gained by horizontal gene transfer (HGT) from soil bacteria. These two Zygnematophyceae genomes represent a cornerstone for future studies to understand the underlying molecular mechanism and process of plant terrestrialization.

We report the isolation of striated flagellar roots from the Prasinophycean green alga Tetraselmis striata using sedimentation in gradients of sucrose and flotation on gradients of colloidal silica. PAGE in the presence of 0.1% SDS demonstrates that striated flagellar roots are composed of a number of polypeptides, the most predominant one being a protein of 20,000 Mr. The 20,000 Mr protein band represents approximately 63% of the Coomassie Brilliant Blue staining of gels of isolated flagellar roots. Two-dimensional gel electrophoresis (isoelectric focusing and SDS PAGE) resolves the major 20,000 Mr flagellar root protein into two components of nearly identical Mr, but of differing isoelectric points (i.e., pl's of 4.9 and 4.8), which we have designated 20,000-Mr-alpha and 20,000-Mr-beta, respectively. Densitometric scans of two-dimensional gels of cell extracts indicate that the 20,000-Mr-alpha and -beta polypeptides vary, in their stoichiometry, between 2:1 and 1:1. This variability appears to be related to the state of contraction or extension of the striated flagellar roots at the time of cell lysis. Incubation of cells with 32PO4 followed by analysis of cell extracts by two-dimensional gel electrophoresis and autoradiography reveals that the more acidic 20,000-Mr-beta component is phosphorylated and the 20,000-Mr-alpha component contains no detectable label. These results suggest that the 20,000-Mr-alpha component is converted to the more acidic 20,000-Mr-beta form by phosphorylation. Both the 20,000-Mr-alpha and -beta flagellar root components exhibit a calcium-induced reduction in relative electrophoretic mobilities in two-dimensional alkaline urea gels. Antiserum raised in rabbits against the 20,000-Mr protein binds to both the 20,000-Mr-alpha and 20,000-Mr-beta forms of the flagellar root protein when analyzed by electrophoretic immunoblot techniques. Indirect immunofluorescence on vegetative or interphase cells demonstrate that the antibodies bind to two cyclindrical organelles located in the anterior region of the cell. Immunocytochemical investigations at ultrastructural resolution using this antiserum and a colloidal gold-conjugated antirabbit-IgG reveals immunospecific labeling of striated flagellar roots and their extensions. We conclude that striated flagellar roots are simple ion-sensitive contractile organelles composed predominantly of a 20,000 Mr calcium-binding phosphoprotein, and that this protein is largely responsible for the motile behavior of these organelles.

The terrestrial habitat was colonized by the ancestors of modern land plants about 500 to 470 million years ago. Today it is widely accepted that land plants (embryophytes) evolved from streptophyte algae, also referred to as charophycean algae. The streptophyte algae are a paraphyletic group of green algae, ranging from unicellular flagellates to morphologically complex forms such as the stoneworts (Charales). For a better understanding of the evolution of land plants, it is of prime importance to identify the streptophyte algae that are the sister-group to the embryophytes. The Charales, the Coleochaetales or more recently the Zygnematales have been considered to be the sister group of the embryophytes However, despite many years of phylogenetic studies, this question has not been resolved and remains controversial.Here, we use a large data set of nuclear-encoded genes (129 proteins) from 40 green plant taxa (Viridiplantae) including 21 embryophytes and six streptophyte algae, representing all major streptophyte algal lineages, to investigate the phylogenetic relationships of streptophyte algae and embryophytes. Our phylogenetic analyses indicate that either the Zygnematales or a clade consisting of the Zygnematales and the Coleochaetales are the sister group to embryophytes.Our analyses support the notion that the Charales are not the closest living relatives of embryophytes. Instead, the Zygnematales or a clade consisting of Zygnematales and Coleochaetales are most likely the sister group of embryophytes. Although this result is in agreement with a previously published phylogenetic study of chloroplast genomes, additional data are needed to confirm this conclusion. A Zygnematales/embryophyte sister group relationship has important implications for early land plant evolution. If substantiated, it should allow us to address important questions regarding the primary adaptations of viridiplants during the conquest of land. Clearly, the biology of the Zygnematales will receive renewed interest in the future.

Significance Colonization of land by plants was a critical event for the emergence of extant ecosystems. The innovations that allowed the algal ancestor of land plants to succeed in such a transition remain unknown. Beneficial interaction with symbiotic fungi has been proposed as one of these innovations. Here we show that the genes required for this interaction appeared in a stepwise manner: Some evolved before the colonization of land by plants and others first appeared in land plants. We thus propose that the algal ancestor of land plants was preadapted for interaction with beneficial fungi and employed these gene networks to colonize land successfully.

Understanding plant evolution and diversity in a phylogenomic context is an enormous challenge due, in part, to limited availability of genome-scale data across phylodiverse species. The 10KP (10,000 Plants) Genome Sequencing Project will sequence and characterize representative genomes from every major clade of embryophytes, green algae, and protists (excluding fungi) within the next 5 years. By implementing and continuously improving leading-edge sequencing technologies and bioinformatics tools, 10KP will catalogue the genome content of plant and protist diversity and make these data freely available as an enduring foundation for future scientific discoveries and applications. 10KP is structured as an international consortium, open to the global community, including botanical gardens, plant research institutes, universities, and private industry. Our immediate goal is to establish a policy framework for this endeavor, the principles of which are outlined here.