Coral reefs are among the most biologically diverse ecosystems on the planet and are of great economic importance. They are under threat because the scleractinian corals at their core are susceptible to ocean acidification and rising seawater temperatures. The genome of the reef-building coral Acropora digitifera has been analysed with a view to understanding the molecular basis of symbiosis and responses to environmental change. The coral seems to have lost a key enzyme of cysteine biosynthesis, so may be dependent on its symbionts for this amino acid. It contains several genes with roles in protection from ultraviolet light that may have been acquired by horizontal transfer from prokaryotic organisms. The coral's innate immunity repertoire is more complex than that of the solitary sea anemone, suggesting that some of these genes are involved in symbiosis or coloniality. Despite the enormous ecological and economic importance of coral reefs, the keystone organisms in their establishment, the scleractinian corals, increasingly face a range of anthropogenic challenges including ocean acidification and seawater temperature rise1,2,3,4. To understand better the molecular mechanisms underlying coral biology, here we decoded the approximately 420-megabase genome of Acropora digitifera using next-generation sequencing technology. This genome contains approximately 23,700 gene models. Molecular phylogenetics indicate that the coral and the sea anemone Nematostella vectensis diverged approximately 500 million years ago, considerably earlier than the time over which modern corals are represented in the fossil record (∼240 million years ago)5. Despite the long evolutionary history of the endosymbiosis, no evidence was found for horizontal transfer of genes from symbiont to host. However, unlike several other corals, Acropora seems to lack an enzyme essential for cysteine biosynthesis, implying dependency of this coral on its symbionts for this amino acid. Corals inhabit environments where they are frequently exposed to high levels of solar radiation, and analysis of the Acropora genome data indicates that the coral host can independently carry out de novo synthesis of mycosporine-like amino acids, which are potent ultraviolet-protective compounds. In addition, the coral innate immunity repertoire is notably more complex than that of the sea anemone, indicating that some of these genes may have roles in symbiosis or coloniality. A number of genes with putative roles in calcification were identified, and several of these are restricted to corals. The coral genome provides a platform for understanding the molecular basis of symbiosis and responses to environmental changes.

Dinoflagellates are known for their capacity to form harmful blooms (e.g., "red tides") and as symbiotic, photosynthetic partners for corals. These unicellular eukaryotes have permanently condensed, liquid-crystalline chromosomes and immense nuclear genome sizes, often several times the size of the human genome. Here we describe the first draft assembly of a dinoflagellate nuclear genome, providing insights into its genome organization and gene inventory.Sequencing reads from Symbiodinium minutum were assembled into 616 Mbp gene-rich DNA regions that represented roughly half of the estimated 1,500 Mbp genome of this species. The assembly encoded ∼42,000 protein-coding genes, consistent with previous dinoflagellate gene number estimates using transcriptomic data. The Symbiodinium genome contains duplicated genes for regulator of chromosome condensation proteins, nearly one-third of which have eukaryotic orthologs, whereas the remainder have most likely been acquired through bacterial horizontal gene transfers. Symbiodinium genes are enriched in spliceosomal introns (mean = 18.6 introns/gene). Donor and acceptor splice sites are unique, with 5' sites utilizing not only GT but also GC and GA, whereas at 3' sites, a conserved G is present after AG. All spliceosomal snRNA genes (U1-U6) are clustered in the genome. Surprisingly, the Symbiodinium genome displays unidirectionally aligned genes throughout the genome, forming a cluster-like gene arrangement.We show here that a dinoflagellate genome exhibits unique and divergent characteristics when compared to those of other eukaryotes. Our data elucidate the organization and gene inventory of dinoflagellates and lay the foundation for future studies of this remarkable group of eukaryotes.

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.

Cephalochordates, urochordates, and vertebrates evolved from a common ancestor over 520 million years ago. To improve our understanding of chordate evolution and the origin of vertebrates, we intensively searched for particular genes, gene families, and conserved noncoding elements in the sequenced genome of the cephalochordate Branchiostoma floridae , commonly called amphioxus or lancelets. Special attention was given to homeobox genes, opsin genes, genes involved in neural crest development, nuclear receptor genes, genes encoding components of the endocrine and immune systems, and conserved cis -regulatory enhancers. The amphioxus genome contains a basic set of chordate genes involved in development and cell signaling, including a fifteenth Hox gene. This set includes many genes that were co-opted in vertebrates for new roles in neural crest development and adaptive immunity. However, where amphioxus has a single gene, vertebrates often have two, three, or four paralogs derived from two whole-genome duplication events. In addition, several transcriptional enhancers are conserved between amphioxus and vertebrates—a very wide phylogenetic distance. In contrast, urochordate genomes have lost many genes, including a diversity of homeobox families and genes involved in steroid hormone function. The amphioxus genome also exhibits derived features, including duplications of opsins and genes proposed to function in innate immunity and endocrine systems. Our results indicate that the amphioxus genome is elemental to an understanding of the biology and evolution of nonchordate deuterostomes, invertebrate chordates, and vertebrates.

Cell lineages during development of ascidian embryos were analyzed by injection of horseradish peroxidase as a tracer enzyme into identified cells at the one-, two-, four-, and eight-cell stages of the ascidians, Halocynthia roretzi, Ciona intestinalis, and Ascidia ahodori. Identical results were obtained with eggs of the three different species examined. The first cleavage furrow coincided with the bilateral symmetry plane of the embryo. The second furrow did not always divide the embryo into anterior and posterior halves as each of the anterior and posterior cell pairs gave rise to different tissues according to their destinies, which became more definitive in the cell pairs at the eight-cell stage. Of the blastomeres constituting the eight-cell stage embryo, the a4.2 pair (the anterior animal blastomeres) differentiated into epidermis, brain, and presumably sense organ and palps. Every descendant cell of the b4.2 pair (the posterior animal blastomeres) has been thought to become epidermis; however, the horseradish peroxidase injection probe revealed that the b4.2 pair gave rise to not only epidermis but also muscle cells at the caudal tip region of the developing tailbud-stage embryos. The A4.1 pair (the anterior vegetal blastomeres) developed into endoderm, notochord, brain stem, spinal cord, and also muscle cells next the caudal tip muscle cells. From the B4.1 pair (the posterior vegetal blastomeres) originated muscle cells of the anterior and middle parts of the tail, mesenchyme, endoderm, endodermal strand, and also notochord at the caudal tip region. These results clearly demonstrate that muscle cells are derived not only from the B4.1 pair, as has hitherto been believed, but also from both the b4.2 and A4.1 pairs.

Abstract Corals create an ecosystem, called a holobiont, with intracellular algae (zooxanthellae) and resident bacteria. Zooxanthellae and some bacteria play major roles in the physiological properties of the coral host. However, because of the difficulties in experimental verification of cross-organism interactions, the mechanisms underpinning these interactions are largely unknown. To address this, we here generated and then analyzed multi-omics datasets for corals, zooxanthellae, and bacteria collected at Okinawa, Japan, from November 2014 to September 2016. Using cross-organism co-expression analysis, we successfully characterized the host–alga relationship in the coral holobiont. Specifically, we observed that the coral host dominates the zooxanthellae. The multi-omics analysis also suggested that infection with coral-associated bacteria Endozoicomonas likely involves coral-like ephrin ligands, triggering an immune response of the coral host. This study highlights the potential of the multi-omics approach to elucidate coral–microbe interactions.

Abstract Coral “polyps” are composed of several tissues; however, their characteristics are largely unexplored. Here we report biological characteristics of the four tissues that comprise polyps: tentacle ( Te ), mesenterial filament ( Me ), body wall ( Bo) , and mouth with pharynx ( MP ), using comparative genomic, morpho-histological, and transcriptomic analyses of the large-polyp coral, Fimbriaphyllia ancora . A draft F. ancora genome assembly of 434 Mbp was created. Morpho-histological and transcriptomic characterization of the four tissues showed that they have distinct differences in structure, primary cellular composition, and transcriptional profiles. Tissue-specific, highly expressed genes (HEGs) of Te are related to biological defense, predation, and coral-algal symbiosis. Me expresses multiple digestive enzymes, whereas Bo expresses innate immunity and biomineralization-related molecules. Many receptors for neuropeptides and neurotransmitters are expressed in MP . The established dataset and new insights into tissue functions will facilitate a deeper understanding of coral biology.

Abstract Bone morphogenetic protein (BMP) signalling is crucial in regulating dorsal–ventral patterning and cell fate determination during early development in bilaterians. Interactions between BMP ligands and their main antagonist, Chordin, establish BMP gradients, subdivide embryos into distinct territories and organise body plans. However, the molecular control and evolutionary origins of dorsal–ventral patterning within spiralians, one of the three major bilaterian groups, have been obscured by their unique embryonic development. Here we present the chromosome-level genome of a spiralian with deuterostome-like development, the brachiopod Lingula anatina , and apply functional transcriptomics to study dorsal–ventral patterning under the control of BMP signalling. We uncover the presence of a dorsal–ventral BMP signalling gradient in the L. anatina gastrula with bmp2/4 and chordin expressed at its dorsal and ventral sides, respectively. Using small-molecule drugs, exogenous recombinant BMP proteins and RNA sequencing, we show that a high level of BMP pathway activation inhibits the expression of neural genes during gastrula and larval stages. We also show that BMP signalling splits the developing larval shell field into two valves. The discovery of a BMP-mediated dorsal–ventral patterning system in a spiralian, similar to those observed in deuterostomes and non-spiralian protostomes, suggests deep conservation of this mechanism across all three major bilaterian clades. This is further supported by striking similarities in the gene sets regulated by BMP signalling in brachiopods and the vertebrate model Xenopus . We argue that the spiralian ancestor retained the basal bilaterian mechanism of dorsal–ventral patterning, although downstream components of the BMP–Chordin network have undergone dynamic evolutionary changes.

Abstract Some sea slugs sequester chloroplasts from algal food in their intestinal cells and photosynthesize for months. This phenomenon, kleptoplasty, poses a question of how the chloroplast retains its activity without the algal nucleus. There have been debates on the horizontal transfer of algal genes to the animal nucleus. To settle the arguments, this study reported the genome of a kleptoplastic sea slug Plakobranchus ocellatus and found no evidence of photosynthetic genes encoded on the nucleus. Nevertheless, it was confirmed that light illumination prolongs the life of mollusk under starvation. These data presented a paradigm that a complex adaptive trait, as typified by photosynthesis, can be transferred between eukaryotic kingdoms by a unique organelle transmission without nuclear gene transfer. Our phylogenomic analysis showed that genes for proteolysis and immunity undergo gene expansion and are up-regulated in chloroplast-enriched tissue, suggesting that these molluskan genes are involved in the DNA-independent phenotype acquisition.

Abstract Recurring outbreaks of crown-of-thorns starfish (COTS) severely damage healthy corals in the Western Pacific Ocean. To determine the source of outbreaking COTS larvae and their dispersal routes across the Western Pacific, complete mitochondrial genomes were sequenced from 243 individuals collected in 11 reef regions. Our results indicate that Pacific COTS comprise two major clades, an East-Central Pacific clade (ECP-C) and a Pan-Pacific clade (PP-C). The ECP-C consists of COTS from French Polynesia (FP), Fiji, Vanuatu and the Great Barrier Reef (GBR), and does not appear prone to outbreaks. In contrast, the PP-C, which repeatedly spawns outbreaks, is a large clade comprising COTS from FP, Fiji, Vanuatu, GBR, Papua New Guinea, Vietnam, the Philippines, Japan, Micronesia, and the Marshall Islands. Given the nature of Pacific Ocean currents, the vast area encompassing FP, Fiji, Vanuatu, and the GBR likely supplies larvae for repeated outbreaks, exacerbated by anthropogenic environmental changes, such as eutrophication.