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.

Diatoms are unicellular algae with plastids acquired by secondary endosymbiosis. They are responsible for ∼20% of global carbon fixation. We report the 34 million–base pair draft nuclear genome of the marine diatom Thalassiosira pseudonana and its 129 thousand–base pair plastid and 44 thousand–base pair mitochondrial genomes. Sequence and optical restriction mapping revealed 24 diploid nuclear chromosomes. We identified novel genes for silicic acid transport and formation of silica-based cell walls, high-affinity iron uptake, biosynthetic enzymes for several types of polyunsaturated fatty acids, use of a range of nitrogenous compounds, and a complete urea cycle, all attributes that allow diatoms to prosper in aquatic environments.

Sea anemones are seemingly primitive animals that, along with corals, jellyfish, and hydras, constitute the oldest eumetazoan phylum, the Cnidaria. Here, we report a comparative analysis of the draft genome of an emerging cnidarian model, the starlet sea anemone Nematostella vectensis . The sea anemone genome is complex, with a gene repertoire, exon-intron structure, and large-scale gene linkage more similar to vertebrates than to flies or nematodes, implying that the genome of the eumetazoan ancestor was similarly complex. Nearly one-fifth of the inferred genes of the ancestor are eumetazoan novelties, which are enriched for animal functions like cell signaling, adhesion, and synaptic transmission. Analysis of diverse pathways suggests that these gene “inventions” along the lineage leading to animals were likely already well integrated with preexisting eukaryotic genes in the eumetazoan progenitor.

Lancelets (‘amphioxus’) are the modern survivors of an ancient chordate lineage, with a fossil record dating back to the Cambrian period. Here we describe the structure and gene content of the highly polymorphic ∼520-megabase genome of the Florida lancelet Branchiostoma floridae, and analyse it in the context of chordate evolution. Whole-genome comparisons illuminate the murky relationships among the three chordate groups (tunicates, lancelets and vertebrates), and allow not only reconstruction of the gene complement of the last common chordate ancestor but also partial reconstruction of its genomic organization, as well as a description of two genome-wide duplications and subsequent reorganizations in the vertebrate lineage. These genome-scale events shaped the vertebrate genome and provided additional genetic variation for exploitation during vertebrate evolution. This issue sees the publication of the draft genome sequence of an animal that has been studied by biologists for many years as a model for a primitive chordate. The amphioxus or lancelet is a small worm-like creature, usually to be found buried in sand on the sea floor. Comparative analysis of the genome of the Florida lancelet, Branchiostoma floridae, reveals 17 ancestral chordate linkage groups conserved in the modern amphioxus and vertebrate genomes despite more than half a billion years of independent evolution. From this it possible to make a virtual reconstruction of the 17 chromosomes of the last common chordate ancestor. This reconstruction conforms that two rounds of whole genome duplication have occurred during evolution of the jawed vertebrate lineage. And it illuminates the murky relationships between the three chordate groups, the tunicates, lancelets and vertebrates. The cover shows four adult amphioxus collected in Apalachee Bay, Florida, with anterior towards the top and dorsal to the right. Yellow ovals are gonads. (Photo by Nicholas Putnam, DOE Joint Genome Institute.

The aspergilli comprise a diverse group of filamentous fungi spanning over 200 million years of evolution. Here we report the genome sequence of the model organism Aspergillus nidulans, and a comparative study with Aspergillus fumigatus, a serious human pathogen, and Aspergillus oryzae, used in the production of sake, miso and soy sauce. Our analysis of genome structure provided a quantitative evaluation of forces driving long-term eukaryotic genome evolution. It also led to an experimentally validated model of mating-type locus evolution, suggesting the potential for sexual reproduction in A. fumigatus and A. oryzae. Our analysis of sequence conservation revealed over 5,000 non-coding regions actively conserved across all three species. Within these regions, we identified potential functional elements including a previously uncharacterized TPP riboswitch and motifs suggesting regulation in filamentous fungi by Puf family genes. We further obtained comparative and experimental evidence indicating widespread translational regulation by upstream open reading frames. These results enhance our understanding of these widely studied fungi as well as provide new insight into eukaryotic genome evolution and gene regulation. More than 300 labs worldwide are using the fungus Aspergillus nidulans as a model system for molecular genetics, and other species of this fungus are important in everyday life. A package of three genomics papers in this issue covers the Aspergillus field comprehensively. Galagan et al. report the genome sequence of the laboratory classic A. nidulans, and Nierman et al. have sequenced A. fumigatus, known chiefly as a human pathogen and allergen. And finally Machida et al. present genome sequencing and analysis of A. oryzae, focusing in particular on the expansion of genes in its genome, which is almost 25% bigger than the other two genomes. A. oryzae is used in traditional Chinese and Japanese food fermentation (think soy sauce) and also in enzyme production by biotechnologists.

The western clawed frog Xenopus tropicalis is an important model for vertebrate development that combines experimental advantages of the African clawed frog Xenopus laevis with more tractable genetics. Here we present a draft genome sequence assembly of X. tropicalis. This genome encodes more than 20,000 protein-coding genes, including orthologs of at least 1700 human disease genes. Over 1 million expressed sequence tags validated the annotation. More than one-third of the genome consists of transposable elements, with unusually prevalent DNA transposons. Like that of other tetrapods, the genome of X. tropicalis contains gene deserts enriched for conserved noncoding elements. The genome exhibits substantial shared synteny with human and chicken over major parts of large chromosomes, broken by lineage-specific chromosome fusions and fissions, mainly in the mammalian lineage.

The origins of neural systems remain unresolved. In contrast to other basal metazoans, ctenophores (comb jellies) have both complex nervous and mesoderm-derived muscular systems. These holoplanktonic predators also have sophisticated ciliated locomotion, behaviour and distinct development. Here we present the draft genome of Pleurobrachia bachei, Pacific sea gooseberry, together with ten other ctenophore transcriptomes, and show that they are remarkably distinct from other animal genomes in their content of neurogenic, immune and developmental genes. Our integrative analyses place Ctenophora as the earliest lineage within Metazoa. This hypothesis is supported by comparative analysis of multiple gene families, including the apparent absence of HOX genes, canonical microRNA machinery, and reduced immune complement in ctenophores. Although two distinct nervous systems are well recognized in ctenophores, many bilaterian neuron-specific genes and genes of 'classical' neurotransmitter pathways either are absent or, if present, are not expressed in neurons. Our metabolomic and physiological data are consistent with the hypothesis that ctenophore neural systems, and possibly muscle specification, evolved independently from those in other animals.

The multicellular green alga Volvox carteri and its morphologically diverse close relatives (the volvocine algae) are well suited for the investigation of the evolution of multicellularity and development. We sequenced the 138-mega-base pair genome of V. carteri and compared its approximately 14,500 predicted proteins to those of its unicellular relative Chlamydomonas reinhardtii. Despite fundamental differences in organismal complexity and life history, the two species have similar protein-coding potentials and few species-specific protein-coding gene predictions. Volvox is enriched in volvocine-algal-specific proteins, including those associated with an expanded and highly compartmentalized extracellular matrix. Our analysis shows that increases in organismal complexity can be associated with modifications of lineage-specific proteins rather than large-scale invention of protein-coding capacity.

All eukaryotic DNA transposons reported so far belong to a single category of elements transposed by the so-called “cut-and-paste” mechanism. Here, we report a previously unknown category of eukaryotic DNA transposons, Helitron , which transpose by rolling-circle replication. Autonomous Helitrons encode a 5′-to-3′ DNA helicase and nuclease/ligase similar to those encoded by known rolling-circle replicons. Helitron -like transposons have conservative 5′-TC and CTRR-3′ termini and do not have terminal inverted repeats. They contain 16- to 20-bp hairpins separated by 10–12 nucleotides from the 3′-end and transpose precisely between the 5′-A and T-3′, with no modifications of the AT target sites. Together with their multiple diverged nonautonomous descendants, Helitrons constitute ≈2% of both the Arabidopsis thaliana and Caenorhabditis elegans genomes and also colonize the Oriza sativa genome. Sequence conservation suggests that Helitrons continue to be transposed.

The V(D)J recombination reaction in jawed vertebrates is catalyzed by the RAG1 and RAG2 proteins, which are believed to have emerged approximately 500 million years ago from transposon-encoded proteins. Yet no transposase sequence similar to RAG1 or RAG2 has been found. Here we show that the approximately 600-amino acid “core” region of RAG1 required for its catalytic activity is significantly similar to the transposase encoded by DNA transposons that belong to the Transib superfamily. This superfamily was discovered recently based on computational analysis of the fruit fly and African malaria mosquito genomes. Transib transposons also are present in the genomes of sea urchin, yellow fever mosquito, silkworm, dog hookworm, hydra, and soybean rust. We demonstrate that recombination signal sequences (RSSs) were derived from terminal inverted repeats of an ancient Transib transposon. Furthermore, the critical DDE catalytic triad of RAG1 is shared with the Transib transposase as part of conserved motifs. We also studied several divergent proteins encoded by the sea urchin and lancelet genomes that are 25%−30% identical to the RAG1 N-terminal domain and the RAG1 core. Our results provide the first direct evidence linking RAG1 and RSSs to a specific superfamily of DNA transposons and indicate that the V(D)J machinery evolved from transposons. We propose that only the RAG1 core was derived from the Transib transposase, whereas the N-terminal domain was assembled from separate proteins of unknown function that may still be active in sea urchin, lancelet, hydra, and starlet sea anemone. We also suggest that the RAG2 protein was not encoded by ancient Transib transposons but emerged in jawed vertebrates as a counterpart of RAG1 necessary for the V(D)J recombination reaction.