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.

Genome packaging by nucleosomes is a hallmark of eukaryotes. Histones and the pathways that deposit, remove, and read histone modifications are deeply conserved. Yet, we lack information regarding chromatin landscapes in extant representatives of ancestors of the main groups of eukaryotes, and our knowledge of the evolution of chromatin-related processes is limited. We used the bryophyte Marchantia polymorpha, which diverged from vascular plants circa 400 mya, to obtain a whole chromosome genome assembly and explore the chromatin landscape and three-dimensional genome organization in an early diverging land plant lineage. Based on genomic profiles of ten chromatin marks, we conclude that the relationship between active marks and gene expression is conserved across land plants. In contrast, we observed distinctive features of transposons and other repetitive sequences in Marchantia compared with flowering plants. Silenced transposons and repeats did not accumulate around centromeres. Although a large fraction of constitutive heterochromatin was marked by H3K9 methylation as in flowering plants, a significant proportion of transposons were marked by H3K27me3, which is otherwise dedicated to the transcriptional repression of protein-coding genes in flowering plants. Chromatin compartmentalization analyses of Hi-C data revealed that repressed B compartments were densely decorated with H3K27me3 but not H3K9 or DNA methylation as reported in flowering plants. We conclude that, in early plants, H3K27me3 played an essential role in heterochromatin function, suggesting an ancestral role of this mark in transposon silencing.

Differences in tRNA expression have been implicated in a remarkable number of biological processes. There is growing evidence that tRNA genes can play dramatically different roles depending on both expression and post-transcriptional modification, yet sequencing tRNAs to measure abundance and detect modifications remains challenging. Their secondary structure and extensive post-transcriptional modifications interfere with RNA-seq library preparation methods and have limited the utility of high-throughput sequencing technologies. Here, we combine two modifications to standard RNA-seq methods by treating with the demethylating enzyme AlkB and ligating with tRNA-specific adapters in order to sequence tRNAs from four species of flowering plants, a group that has been shown to have some of the most extensive rates of post-transcriptional tRNA modifications. This protocol has the advantage of detecting full-length tRNAs and sequence variants that can be used to infer many post-transcriptional modifications. We used the resulting data to produce a modification index of almost all unique reference tRNAs in Arabidopsis thaliana, which exhibited many anciently conserved similarities with humans but also positions that appear to be hot spots for modifications in angiosperm tRNAs. We also found evidence based on northern blot analysis and droplet digital PCR that, even after demethylation treatment, tRNA-seq can produce highly biased estimates of absolute expression levels most likely due to biased reverse transcription. Nevertheless, the generation of full-length tRNA sequences with modification data is still promising for assessing differences in relative tRNA expression across treatments, tissues or subcellular fractions and help elucidate the functional roles of tRNA modifications.