In the quest to reconstruct the Tree of Life, researchers have increasingly turned to phylogenomics, the inference of phylogenetic relationships using genome-scale data (Box 1). Mesmerized by the sustained increase in sequencing throughput, many phylogeneticists entertained the hope that the incongruence frequently observed in studies using single or a few genes [1] would come to an end with the generation of large multigene datasets. Yet, as so often happens, reality has turned out to be far more complex, as three recent large-scale analyses, one published in PLoS Biology [2]–[4], make clear. The studies, which deal with the early diversification of animals, produced highly incongruent (Box 2) findings despite the use of considerable sequence data (see Figure 1). Clearly, merely adding more sequences is not enough to resolve the inconsistencies.

The discovery of a living coelacanth specimen in 1938 was remarkable, as this lineage of lobe-finned fish was thought to have become extinct 70 million years ago. The modern coelacanth looks remarkably similar to many of its ancient relatives, and its evolutionary proximity to our own fish ancestors provides a glimpse of the fish that first walked on land. Here we report the genome sequence of the African coelacanth, Latimeria chalumnae. Through a phylogenomic analysis, we conclude that the lungfish, and not the coelacanth, is the closest living relative of tetrapods. Coelacanth protein-coding genes are significantly more slowly evolving than those of tetrapods, unlike other genomic features. Analyses of changes in genes and regulatory elements during the vertebrate adaptation to land highlight genes involved in immunity, nitrogen excretion and the development of fins, tail, ear, eye, brain and olfaction. Functional assays of enhancers involved in the fin-to-limb transition and in the emergence of extra-embryonic tissues show the importance of the coelacanth genome as a blueprint for understanding tetrapod evolution.

Resolving the early diversification of animal lineages has proven difficult, even using genome-scale datasets. Several phylogenomic studies have supported the classical scenario in which sponges (Porifera) are the sister group to all other animals ("Porifera-sister" hypothesis), consistent with a single origin of the gut, nerve cells, and muscle cells in the stem lineage of eumetazoans (bilaterians + ctenophores + cnidarians). In contrast, several other studies have recovered an alternative topology in which ctenophores are the sister group to all other animals (including sponges). The "Ctenophora-sister" hypothesis implies that eumetazoan-specific traits, such as neurons and muscle cells, either evolved once along the metazoan stem lineage and were then lost in sponges and placozoans or evolved at least twice independently in Ctenophora and in Cnidaria + Bilateria. Here, we report on our reconstruction of deep metazoan relationships using a 1,719-gene dataset with dense taxonomic sampling of non-bilaterian animals that was assembled using a semi-automated procedure, designed to reduce known error sources. Our dataset outperforms previous metazoan gene superalignments in terms of data quality and quantity. Analyses with a best-fitting site-heterogeneous evolutionary model provide strong statistical support for placing sponges as the sister-group to all other metazoans, with ctenophores emerging as the second-earliest branching animal lineage. Only those methodological settings that exacerbated long-branch attraction artifacts yielded Ctenophora-sister. These results show that methodological issues must be carefully addressed to tackle difficult phylogenetic questions and pave the road to a better understanding of how fundamental features of animal body plans have emerged.

Progress in sequencing technology allows researchers to assemble ever-larger supermatrices for phylogenomic inference. However, current phylogenomic studies often rest on patchy data sets, with some having 80% missing (or ambiguous) data or more. Though early simulations had suggested that missing data per se do not harm phylogenetic inference when using sufficiently large data sets, Lemmon et al. (Lemmon AR, Brown JM, Stanger-Hall K, Lemmon EM. 2009. The effect of ambiguous data on phylogenetic estimates obtained by maximum likelihood and Bayesian inference. Syst Biol. 58:130–145.) have recently cast doubt on this consensus in a study based on the introduction of parsimony-uninformative incomplete characters. In this work, we empirically reassess the issue of missing data in phylogenomics while exploring possible interactions with the model of sequence evolution. First, we note that parsimony-uninformative incomplete characters are actually informative in a probabilistic framework. A reanalysis of Lemmon’s data set with this in mind gives a very different interpretation of their results and shows that some of their conclusions may be unfounded. Second, we investigate the effect of the progressive introduction of missing data in a complete supermatrix (126 genes × 39 species) capable of resolving animal relationships. These analyses demonstrate that missing data perturb phylogenetic inference slightly beyond the expected decrease in resolving power. In particular, they exacerbate systematic errors by reducing the number of species effectively available for the detection of multiple substitutions. Consequently, large sparse supermatrices are more sensitive to phylogenetic artifacts than smaller but less incomplete data sets, which argue for experimental designs aimed at collecting a modest number (∼50) of highly covered genes. Our results further confirm that including incomplete yet short-branch taxa (i.e., slowly evolving species or close outgroups) can help to eschew artifacts, as predicted by simulations. Finally, it appears that selecting an adequate model of sequence evolution (e.g., the site-heterogeneous CAT model instead of the site-homogeneous WAG model) is more beneficial to phylogenetic accuracy than reducing the level of missing data.

According to the chromalveolate hypothesis (Cavalier-Smith T. 1999. Principles of protein and lipid targeting in secondary symbiogenesis: euglenoid, dinoflagellate, and sporozoan plastid origins and the eukaryote family tree. J Eukaryot Microbiol 46:347–366), the four eukaryotic groups with chlorophyll c–containing plastids originate from a single photosynthetic ancestor, which acquired its plastids by secondary endosymbiosis with a red alga. So far, molecular phylogenies have failed to either support or disprove this view. Here, we devise a phylogenomic falsification of the chromalveolate hypothesis that estimates signal strength across the three genomic compartments: If the four chlorophyll c–containing lineages indeed derive from a single photosynthetic ancestor, then similar amounts of plastid, mitochondrial, and nuclear sequences should allow to recover their monophyly. Our results refute this prediction, with statistical support levels too different to be explained by evolutionary rate variation, phylogenetic artifacts, or endosymbiotic gene transfer. Therefore, we reject the chromalveolate hypothesis as falsified in favor of more complex evolutionary scenarios involving multiple higher order eukaryote–eukaryote endosymbioses.

Abstract It is commonly assumed that increasing the number of characters has the potential to resolving radiations. We studied photosynthetic stramenopiles (Ochrophyta) using alignments of heterogeneous size and origin (6,762 sites for mitochondrion, 21,692 sites for plastid and 209,105 sites for nucleus). While statistical support for the relationships between the six major Ochrophyta lineages increases when comparing the mitochondrion and plastid trees, it decreases in the nuclear tree. Statistical support is not simply related to the dataset size but also to the quantity of phylogenetic signal available at each position and our ability to extract it. Here, we show that proper signal extraction is difficult to attain, as demonstrated by conflicting results obtained when varying taxon sampling. Even though the use of a better fitting model improved signal extraction and reduced the observed conflicts, the plastid dataset provided higher statistical support for the ochrophyte radiation than the larger nucleus dataset. We propose that the higher support observed in the plastid tree is due to an acceleration of the evolutionary rate in one short deep internal branch, implying that more phylogenetic signal per position is available to resolve the Ochrophyta radiation in the plastid than in the nuclear dataset. Our work therefore suggests that, in order to resolve radiations, beyond the obvious use of datasets with more positions, we need to continue developing models of sequence evolution that better extract the phylogenetic signal and design methods to search for genes/characters that contain more signal specifically for short internal branches.

Abstract Cyanobacteria form one of the most diversified phylum of Bacteria. They are important ecologically as primary producers, for Earth evolution and biotechnological applications. Yet, Cyanobacteria are notably difficult to purify and grow axenically, and most strains in culture collections contain heterotrophic bacteria that were likely associated to Cyanobacteria in the environment. Obtaining cyanobacterial DNA without contaminant sequences is thus a challenging and time-consuming task. Here, we deploy a metagenomic pipeline that enables the easy recovery of high-quality genomes from non-axenic cultures. We tested this pipeline on 17 cyanobacterial cultures from the BCCM/ULC public collection and generated novel genome sequences for 15 arctic or subarctic strains, of which 14 early-branching organisms that will be useful for cyanobacterial phylogenomics. In parallel, we managed to assemble 31 co-cultivated bacteria from the same cultures and showed that they mostly belong to Bacteroidetes and Proteobacteria, some of them being very closely related in spite of geographically distant sampling sites. Importance Complete genomes of cold-adapted Cyanobacteria are underrepresented in databases, due to the difficulty to grow them axenically. In this work, we report the genome sequencing of 12 (sub)arctic and 3 temperate Cyanobacteria, along with 21 Proteobacteria and 5 Bacteroidetes recovered from their microbiome. Following the use of a state-of-the-art metagenomic pipeline, 12 of our new cyanobacterial genome assemblies are of high-quality, which indicates that even non-axenic cultures can yield complete genomes suitable for phylogenomics and comparative genomics. From a methodological point of view, we investigate the fate of SSU rRNA (16S) genes during metagenomic binning and observe that multi-copy rRNA operons are lost because of higher sequencing coverage and divergent tetranucleotide frequencies. Moreover, we devised a measure of genomic identity to compare metagenomic bins of different completeness, which allowed us to show that Cyanobacteria-associated bacteria can be highly related in spite of considerable distance between collection points.

Abstract Background Genome contamination is a well-known issue in (meta)genomics. Although it has received a lot of attention, with an increasing number of detection tools made available over the years, no comparison between these tools exists in the literature. Results Here, we report the benchmarking of six of the most popular tools using a simulated framework. Our simulations were conducted on six different taxonomic ranks, from phylum to species. The analysis of the estimated contamination levels indicates that the precision of the tools is not good, often due to large overdetection but also underdetection, especially at the genus and species ranks. Furthermore, our results show that only redundant contamination is accurately estimated. Conclusion Our results indicate that using a combination of tools, including Kraken2, is necessary to estimate the contamination level accurately. We also provide a freely available contamination simulation framework, CRACOT, which may be useful for estimating the accuracy of future algorithms.