Abscisic acid (ABA) is a phytohormone that has been extensively characterized in higher plants for its roles in seed and bud dormancy, leaf abscission, and stress responses. Genomic studies have identified orthologs for ABA-related genes throughout the Viridiplantae, including in unicellular algae; however, the role of ABA in algal physiology has not been characterized, and the existence of such a role has been a matter of dispute. In this study, we demonstrate that ABA is involved in regulating algal stress responses. Chlorella sorokiniana strain UTEX 1230 contains genes orthologous to those of higher plants which are essential for ABA biosynthesis, sensing, and degradation. RNAseq-based transcriptomic studies reveal that treatment with ABA induces dramatic changes in gene expression profiles, including the induction of a subset of genes involved in DNA replication and repair, a phenomenon which has been demonstrated in higher plants. Pretreatment of C. sorokiniana cultures with ABA exerts a protective effect on cell viability in response to ultraviolet radiation. Additionally, C. sorokiniana produces and secretes biologically relevant amounts of both ABA and the oxylipin 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA) into the growth medium in response to abiotic stressors. Taken together, these phenomena suggest that ABA signaling evolved as an intercellular stress response signaling molecule in eukaryotic microalgae prior to the evolution of multicellularity and colonization of land.

Indole-3-acetic acid is a ubiquitous small molecule found in all domains of life. It is the predominant and most active auxin in seed plants, where it coordinates a variety of complex growth and development processes. The potential origin of auxin signaling in algae remains a matter of some controversy. In order to clarify the evolutionary context of algal auxin signaling, we undertook a genomic survey to assess whether auxin acts as a signaling molecule in the emerging model chlorophyte Chlorella sorokiniana UTEX 1230. C. sorokiniana produces the auxin indole-3-acetic acid (IAA), which was present in both the cell pellet and in the supernatant at a concentration of ~1 nM, and its genome encodes orthologs of genes related to auxin synthesis, transport, and signaling in higher plants. Candidate orthologs for the canonical AUX/IAA signaling pathway were not found; however, auxin-binding protein 1 (ABP1), an alternate auxin receptor, is present and highly conserved at essential auxin binding and zinc coordinating residues. Additionally, candidate orthologs for PIN proteins, responsible for intercellular, vectorial auxin transport in higher plants, were not found, but PILs (PIN-Like) proteins, a recently discovered family that mediates intracellular auxin transport, were identified. The distribution of auxin related gene in this unicellular chlorophyte demonstrates that a core suite of auxin signaling components was present early in the evolution of plants. Understanding the simplified auxin signaling pathways in chlorophytes will aid in understanding phytohormone signaling and crosstalk in seed plants, and in understanding the diversification and integration of developmental signals during the evolution of multicellular plants.