Chlamydomonas reinhardtii is a unicellular green alga whose lineage diverged from land plants over 1 billion years ago. It is a model system for studying chloroplast-based photosynthesis, as well as the structure, assembly, and function of eukaryotic flagella (cilia), which were inherited from the common ancestor of plants and animals, but lost in land plants. We sequenced the ∼120-megabase nuclear genome of Chlamydomonas and performed comparative phylogenomic analyses, identifying genes encoding uncharacterized proteins that are likely associated with the function and biogenesis of chloroplasts or eukaryotic flagella. Analyses of the Chlamydomonas genome advance our understanding of the ancestral eukaryotic cell, reveal previously unknown genes associated with photosynthetic and flagellar functions, and establish links between ciliopathy and the composition and function of flagella.

Oilseed rape (Brassica napus L.) was formed ~7500 years ago by hybridization between B. rapa and B. oleracea, followed by chromosome doubling, a process known as allopolyploidy. Together with more ancient polyploidizations, this conferred an aggregate 72× genome multiplication since the origin of angiosperms and high gene content. We examined the B. napus genome and the consequences of its recent duplication. The constituent An and Cn subgenomes are engaged in subtle structural, functional, and epigenetic cross-talk, with abundant homeologous exchanges. Incipient gene loss and expression divergence have begun. Selection in B. napus oilseed types has accelerated the loss of glucosinolate genes, while preserving expansion of oil biosynthesis genes. These processes provide insights into allopolyploid evolution and its relationship with crop domestication and improvement.

Diatoms, a type of microscopic marine and freshwater alga, dominate the oceans and are responsible for about a fifth of the primary productivity on Earth. The complete genome sequence of Phaeodactylum tricornutum is reported in this issue, the second diatom to be sequenced. Comparisons with Thalassiosira pseudonana, the first, reveal that hundreds of diatom genes have been acquired by gene transfer from bacteria — or vice versa. Gene transfer appears to have been common during diatom evolution, creating unorthodox combinations of genes — including some from plants and animals — likely to play major roles in nutrient management and environmental signalling. Diatoms are photosynthetic secondary endosymbionts found throughout marine and freshwater environments, and are believed to be responsible for around one-fifth of the primary productivity on Earth1,2. The genome sequence of the marine centric diatom Thalassiosira pseudonana was recently reported, revealing a wealth of information about diatom biology3,4,5. Here we report the complete genome sequence of the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum and compare it with that of T. pseudonana to clarify evolutionary origins, functional significance and ubiquity of these features throughout diatoms. In spite of the fact that the pennate and centric lineages have only been diverging for 90 million years, their genome structures are dramatically different and a substantial fraction of genes (∼40%) are not shared by these representatives of the two lineages. Analysis of molecular divergence compared with yeasts and metazoans reveals rapid rates of gene diversification in diatoms. Contributing factors include selective gene family expansions, differential losses and gains of genes and introns, and differential mobilization of transposable elements. Most significantly, we document the presence of hundreds of genes from bacteria. More than 300 of these gene transfers are found in both diatoms, attesting to their ancient origins, and many are likely to provide novel possibilities for metabolite management and for perception of environmental signals. These findings go a long way towards explaining the incredible diversity and success of the diatoms in contemporary oceans.

The sequencing and analysis of the banana genome is reported; these results inform plant phylogenetic relationships and genome evolution, and provide a resource for future genetic improvement of this important crop species. Bananas (Musa spp.) are a staple food and a major source of income in many tropical and subtropical countries. This paper reports the sequencing and analysis of the banana genome. This is the first non-grass monocotyledon to have its genome sequenced, providing an important bridge for comparative genome analysis in plants. Global banana production is under threat from increasingly well-adapted pests and diseases, so the availability of the genome sequence is an important resource for future crop development and improvement. Bananas (Musa spp.), including dessert and cooking types, are giant perennial monocotyledonous herbs of the order Zingiberales, a sister group to the well-studied Poales, which include cereals. Bananas are vital for food security in many tropical and subtropical countries and the most popular fruit in industrialized countries1. The Musa domestication process started some 7,000 years ago in Southeast Asia. It involved hybridizations between diverse species and subspecies, fostered by human migrations2, and selection of diploid and triploid seedless, parthenocarpic hybrids thereafter widely dispersed by vegetative propagation. Half of the current production relies on somaclones derived from a single triploid genotype (Cavendish)1. Pests and diseases have gradually become adapted, representing an imminent danger for global banana production3,4. Here we describe the draft sequence of the 523-megabase genome of a Musa acuminata doubled-haploid genotype, providing a crucial stepping-stone for genetic improvement of banana. We detected three rounds of whole-genome duplications in the Musa lineage, independently of those previously described in the Poales lineage and the one we detected in the Arecales lineage. This first monocotyledon high-continuity whole-genome sequence reported outside Poales represents an essential bridge for comparative genome analysis in plants. As such, it clarifies commelinid-monocotyledon phylogenetic relationships, reveals Poaceae-specific features and has led to the discovery of conserved non-coding sequences predating monocotyledon–eudicotyledon divergence.

The genome of Ectocarpus, a model organism for brown algae, has been sequenced. Brown algae are complex photosynthetic organisms that have adapted to life in rocky coastal environments. Genome analysis sheds light on this adaptation and reveals an extended set of light-harvesting and pigment biosynthesis genes and novel metabolic processes such as halide metabolism. Comparative genomic analyses highlight the likely importance of a family of receptor kinases and related molecules in the evolution of multicellularity in plants, animals and brown algae. The genome of Ectocarpus siliculosis, a model for the study of brown algae, has been sequenced. These seaweeds are complex photosynthetic organisms that have adapted to rocky coastal environments. Genome analysis sheds light on this adaptation, revealing an extended set of light-harvesting and pigment biosynthesis genes, and new metabolic processes such as halide metabolism. Comparative analyses are also significant with respect to the evolution of multicellularity in plants, animals and brown algae. Brown algae (Phaeophyceae) are complex photosynthetic organisms with a very different evolutionary history to green plants, to which they are only distantly related1. These seaweeds are the dominant species in rocky coastal ecosystems and they exhibit many interesting adaptations to these, often harsh, environments. Brown algae are also one of only a small number of eukaryotic lineages that have evolved complex multicellularity (Fig. 1). We report the 214 million base pair (Mbp) genome sequence of the filamentous seaweed Ectocarpus siliculosus (Dillwyn) Lyngbye, a model organism for brown algae2,3,4,5, closely related to the kelps6,7 (Fig. 1). Genome features such as the presence of an extended set of light-harvesting and pigment biosynthesis genes and new metabolic processes such as halide metabolism help explain the ability of this organism to cope with the highly variable tidal environment. The evolution of multicellularity in this lineage is correlated with the presence of a rich array of signal transduction genes. Of particular interest is the presence of a family of receptor kinases, as the independent evolution of related molecules has been linked with the emergence of multicellularity in both the animal and green plant lineages. The Ectocarpus genome sequence represents an important step towards developing this organism as a model species, providing the possibility to combine genomic and genetic2 approaches to explore these and other4,5 aspects of brown algal biology further.

The green lineage is reportedly 1,500 million years old, evolving shortly after the endosymbiosis event that gave rise to early photosynthetic eukaryotes. In this study, we unveil the complete genome sequence of an ancient member of this lineage, the unicellular green alga Ostreococcus tauri (Prasinophyceae). This cosmopolitan marine primary producer is the world’s smallest free-living eukaryote known to date. Features likely reflecting optimization of environmentally relevant pathways, including resource acquisition, unusual photosynthesis apparatus, and genes potentially involved in C 4 photosynthesis, were observed, as was downsizing of many gene families. Overall, the 12.56-Mb nuclear genome has an extremely high gene density, in part because of extensive reduction of intergenic regions and other forms of compaction such as gene fusion. However, the genome is structurally complex. It exhibits previously unobserved levels of heterogeneity for a eukaryote. Two chromosomes differ structurally from the other eighteen. Both have a significantly biased G+C content, and, remarkably, they contain the majority of transposable elements. Many chromosome 2 genes also have unique codon usage and splicing, but phylogenetic analysis and composition do not support alien gene origin. In contrast, most chromosome 19 genes show no similarity to green lineage genes and a large number of them are specialized in cell surface processes. Taken together, the complete genome sequence, unusual features, and downsized gene families, make O. tauri an ideal model system for research on eukaryotic genome evolution, including chromosome specialization and green lineage ancestry.

The smallest known eukaryotes, at ≈1-μm diameter, are Ostreococcus tauri and related species of marine phytoplankton. The genome of Ostreococcus lucimarinus has been completed and compared with that of O. tauri . This comparison reveals surprising differences across orthologous chromosomes in the two species from highly syntenic chromosomes in most cases to chromosomes with almost no similarity. Species divergence in these phytoplankton is occurring through multiple mechanisms acting differently on different chromosomes and likely including acquisition of new genes through horizontal gene transfer. We speculate that this latter process may be involved in altering the cell-surface characteristics of each species. In addition, the genome of O. lucimarinus provides insights into the unique metal metabolism of these organisms, which are predicted to have a large number of selenocysteine-containing proteins. Selenoenzymes are more catalytically active than similar enzymes lacking selenium, and thus the cell may require less of that protein. As reported here, selenoenzymes, novel fusion proteins, and loss of some major protein families including ones associated with chromatin are likely important adaptations for achieving a small cell size.

Genome sequences of nine species of citrus, including oranges, pummelos and mandarins, reveal pathways of domestication and provide resources for breeding. Cultivated citrus are selections from, or hybrids of, wild progenitor species whose identities and contributions to citrus domestication remain controversial. Here we sequence and compare citrus genomes—a high-quality reference haploid clementine genome and mandarin, pummelo, sweet-orange and sour-orange genomes—and show that cultivated types derive from two progenitor species. Although cultivated pummelos represent selections from one progenitor species, Citrus maxima, cultivated mandarins are introgressions of C. maxima into the ancestral mandarin species Citrus reticulata. The most widely cultivated citrus, sweet orange, is the offspring of previously admixed individuals, but sour orange is an F1 hybrid of pure C. maxima and C. reticulata parents, thus implying that wild mandarins were part of the early breeding germplasm. A Chinese wild 'mandarin' diverges substantially from C. reticulata, thus suggesting the possibility of other unrecognized wild citrus species. Understanding citrus phylogeny through genome analysis clarifies taxonomic relationships and facilitates sequence-directed genetic improvement.

Red seaweeds are key components of coastal ecosystems and are economically important as food and as a source of gelling agents, but their genes and genomes have received little attention. Here we report the sequencing of the 105-Mbp genome of the florideophyte Chondrus crispus (Irish moss) and the annotation of the 9,606 genes. The genome features an unusual structure characterized by gene-dense regions surrounded by repeat-rich regions dominated by transposable elements. Despite its fairly large size, this genome shows features typical of compact genomes, e.g., on average only 0.3 introns per gene, short introns, low median distance between genes, small gene families, and no indication of large-scale genome duplication. The genome also gives insights into the metabolism of marine red algae and adaptations to the marine environment, including genes related to halogen metabolism, oxylipins, and multicellularity (microRNA processing and transcription factors). Particularly interesting are features related to carbohydrate metabolism, which include a minimalistic gene set for starch biosynthesis, the presence of cellulose synthases acquired before the primary endosymbiosis showing the polyphyly of cellulose synthesis in Archaeplastida, and cellulases absent in terrestrial plants as well as the occurrence of a mannosylglycerate synthase potentially originating from a marine bacterium. To explain the observations on genome structure and gene content, we propose an evolutionary scenario involving an ancestral red alga that was driven by early ecological forces to lose genes, introns, and intergenetic DNA; this loss was followed by an expansion of genome size as a consequence of activity of transposable elements.