Cryptophyte and chlorarachniophyte algae are transitional forms in the widespread secondary endosymbiotic acquisition of photosynthesis by engulfment of eukaryotic algae. Unlike most secondary plastid-bearing algae, miniaturized versions of the endosymbiont nuclei (nucleomorphs) persist in cryptophytes and chlorarachniophytes. To determine why, and to address other fundamental questions about eukaryote–eukaryote endosymbiosis, we sequenced the nuclear genomes of the cryptophyte Guillardia theta and the chlorarachniophyte Bigelowiella natans. Both genomes have >21,000 protein genes and are intron rich, and B. natans exhibits unprecedented alternative splicing for a single-celled organism. Phylogenomic analyses and subcellular targeting predictions reveal extensive genetic and biochemical mosaicism, with both host- and endosymbiont-derived genes servicing the mitochondrion, the host cell cytosol, the plastid and the remnant endosymbiont cytosol of both algae. Mitochondrion-to-nucleus gene transfer still occurs in both organisms but plastid-to-nucleus and nucleomorph-to-nucleus transfers do not, which explains why a small residue of essential genes remains locked in each nucleomorph. Sequencing the nuclear genomes of Guillardia theta and Bigelowiella natans, transitional forms in the endosymbiotic acquisition of photosynthesis by engulfment of certain eukaryotic algae, reveals unprecedented alternative splicing for a single-celled organism (B. natans) and extensive genetic and biochemical mosaicism, shedding light on why nucleomorphs persist in these species but not other algae. This paper presents the sequences of the nuclear genomes of two eukaryotic microbes of remarkable genetic and cellular complexity, Guillardia and Bigelowiella. These algae are transitional forms in the endosymbiotic acquisition of photosynthesis by engulfment of eukaryotic algae, and possess four genomes: mitochondrial and plastid (chloroplast) genomes, a nuclear genome of host origin and a miniaturized 'nucleomorph' genome of endosymbiotic origin. Analyses reveal unprecedented alternative splicing for a single-celled organism, and extensive genetic and biochemical mosaicism. Whereas the mitochondrion-to-nucleus gene transfer continues in both organisms, plastid-to-nucleus and nucleomorph-to-nucleus transfers have ceased, explaining nucleomorph persistence.

Abstract Recent phylogenetic analyses position certain ‘orphan’ protist lineages deep in the tree of eukaryotic life, but their exact placements are poorly resolved. We conducted phylogenomic analyses that incorporate deeply sequenced transcriptomes from representatives of collodictyonids (diphylleids), rigifilids, Mantamonas and ancyromonads (planomonads). Analyses of 351 genes, using site-heterogeneous mixture models, strongly support a novel supergroup-level clade that includes collodictyonids, rigifilids and Mantamonas , which we name ‘CRuMs’. Further, they robustly place CRuMs as the closest branch to Amorphea (including animals and fungi). Ancyromonads are strongly inferred to be more distantly related to Amorphea than are CRuMs. They emerge either as sister to malawimonads, or as a separate deeper branch. CRuMs and ancyromonads represent two distinct major groups that branch deeply on the lineage that includes animals, near the most commonly inferred root of the eukaryote tree. This makes both groups crucial in examinations of the deepest-level history of extant eukaryotes.

Abstract Chloroplasts in photosynthetic eukaryotes originated from a cyanobacterial endosymbiosis far more than 1 billion years ago 1-3 . Due to this ancientness, it remains unclear how this evolutionary process proceeded. To unveil this mystery, we analysed the whole genome sequence of a photosynthetic rhizarian amoeba 4 , Paulinella micropora 5,6 , which has a chloroplast-like organelle that originated from another cyanobacterial endosymbiosis 7-10 about 0.1 billion years ago 11 . Here we show that the predacious amoeba that engulfed cyanobacteria evolved into a photosynthetic organism very quickly in the evolutionary time scale, probably aided by the drastic genome reorganization activated by large DNA virus. In the endosymbiotic evolution of eukaryotic cells, gene transfer from the endosymbiont genome to the host nucleus is essential for the evolving host cell to control the endosymbiont-derived organelle 12 . In P. micropora , we found that the gene transfer from the free-living and endosymbiotic bacteria to the amoeba nucleus was rapidly activated but both simultaneously ceased within the initiation period of the endosymbiotic evolution, suggesting that the genome reorganization drastically proceeded and completed. During this period, large DNA virus appeared to have infected the amoeba, followed by the rapid amplification and diversification of virus-related genes. These findings led us to re-examine the conventional endosymbiotic evolutionary scenario that exclusively deals with the host and the symbiont, and to extend it by incorporating a third critical player, large DNA virus, which activates the drastic gene transfer and genome reorganization between them. This Paulinella version of the evolutionary hypothesis deserves further testing of its generality in evolutionary systems and could shed light on the unknown roles of large DNA viruses 13 in the evolution of terrestrial life.

Summary ‘Kingdom-level’ branches are being added to the tree of eukaryotes at a rate approaching one per year, with no signs of slowing down 1–4 . Some are completely new discoveries, while others are morphologically unusual protists that were previously described but lacked molecular data. For example, Hemimastigophora are predatory protists with two rows of flagella that were known since the 19 th century, but proved to represent a new deep-branching eukaryote lineage when phylogenomic analyses were conducted 2 . Meteora sporadica Hausmann et al. 2002 5 is a protist with a unique morphology and motility; cells glide over substrates along a long axis of anterior and posterior projections, and have a pair of lateral ‘arms’ that swing back and forth. Originally, Meteora was described by light microscopy only, from a short-term enrichment of deep-sea sediment. A small subunit ribosomal RNA (SSU rRNA) sequence was reported recently, but the phylogenetic placement of Meteora remained unresolved 6 . Here, we investigated two cultivated Meteora sporadica isolates in detail. Transmission electron microscopy showed that the anterior-posterior projections are supported by microtubules originating from a cluster of subnuclear MTOCs. Likewise, the arms are supported by microtubules, and neither have a flagellar axoneme-like structure. Sequencing the mitochondrial genome showed this to be amongst the most gene-rich known, outside jakobids. Remarkably, phylogenomic analyses of 254 nuclear protein-coding genes robustly support a close relationship with Hemimastigophora. Our study suggests that Meteora and Hemimastigophora together represent a morphologically diverse ‘supergroup’, and thus are important for resolving the tree of eukaryote life and early eukaryote evolution.

We here report the phylogenetic position of barthelonids, small anaerobic flagellates previously examined using light microscopy alone. Barthelona spp. were isolated from geographically distinct regions and we established five laboratory strains. Transcriptomic data generated from one Barthelona strain (PAP020) was used for large-scale, multi-gene phylogenetic (phylogenomic) analyses. Our analyses robustly placed strain PAP020 at the base of the Fornicata clade, indicating that barthelonids represent a deep-branching Metamonad clade. Considering the anaerobic/microaerophilic nature of barthelonids and preliminary electron microscopy observations on strain PAP020, we suspected that barthelonids possess functionally and structurally reduced mitochondria (i.e. mitochondrion-related organelles or MROs). The metabolic pathways localized in the MRO of strain PAP020 were predicted based on its transcriptomic data and compared with those in the MROs of fornicates. Strain PAP020 is most likely incapable of generating ATP in the MRO, as no mitochondrial/MRO enzymes involved in substrate-level phosphorylation were detected. Instead, we detected the putative cytosolic ATP-generating enzyme (acetyl-CoA synthetase), suggesting that strain PAP020 depends on ATP generated in the cytosol. We propose two separate losses of substrate-level phosphorylation from the MRO in the clade containing barthelonids and (other) fornicates.

A haptonema is an elongated microtubule-based motile organelle uniquely present in haptophytes. The most notable and rapid movement of a haptonema is 'coiling', which occurs within a few milliseconds following mechanical stimulation in an unknown motor-independent mechanism. Here, we analyzed the coiling process in detail by high-speed filming and showed that haptonema coiling was initiated by left-handed twisting of the haptonema, followed by writhing to form a helix from the distal tip. On recovery from a mechanical stimulus, the helix slowly uncoiled from the proximal region. Electron microscopy showed that the seven microtubules in a haptonema were arranged mostly in parallel but that one of the microtubules often wound around the others in the extended state. The persistence lengths calculated from the curvature of the haptonematal microtubules indicated their unusual flexibility. A microtubule stabilizer, paclitaxel, inhibited coiling and induced right-handed twisting of the haptonema in the absence of Ca2+, suggesting changes in the microtubule surface lattice. Addition of Ca2+ caused bend propagation toward the proximal region. These results indicate that switching microtubule conformation with the aid of Ca2+-binding microtubule-associated proteins is responsible for rapid haptonematal coiling.

Abstract Mantamonads were long considered to represent an “orphan” lineage in the tree of eukaryotes, likely branching near the most frequently assumed position for the root of eukaryotes. Recent phylogenomic analyses have placed them as part of the “CRuMs” supergroup, along with collodictyonids and rigifilids. This supergroup appears to branch at the base of Amorphea, making it of special importance for understanding the deep evolutionary history of eukaryotes. However, the lack of representative species and complete genomic data associated with them has hampered the investigation of their biology and evolution. Here, we isolated and described two new species of mantamonads, Mantamonas vickermani sp. nov. and Mantamonas sphyraenae sp. nov., for each of which we generated transcriptomic sequence data, as well as a high-quality genome for the latter. The estimated size of the M. sphyraenae genome is 25 Mb; our de novo assembly appears to be highly contiguous and complete with 9,416 predicted protein-coding genes. This near-chromosome-scale genome assembly is the first described for the CRuMs supergroup.

Nucleomorphs are relic endosymbiont nuclei so far found only in two algal groups, cryptophytes and chlorarachniophytes, which have been studied to model the evolutionary process integrating an endosymbiont alga into be a host-governed plastid (organellogenesis). Nevertheless, past studies suggested that DNA transfer from the endosymbiont to host nuclei had already ceased in both cryptophytes and chlorarachniophytes, implying that the organellogenesis at the genetic level has been completed in the two systems. Moreover, we have yet to pinpoint the closest free-living relative of the endosymbiotic alga engulfed by the ancestral chlorarachniophyte or cryptophyte, making difficult to infer how organellogenesis altered the endosymbiont genome. To counter the above issues, we need novel nucleomorph-bearing algae, in which from-endosymbiont-to-host DNA transfer is on-going and of which endosymbiont/plastid origins can be inferred at a fine taxonomic scale. Here, we report two previously undescribed dinoflagellates, strains MGD and TGD, with green algal endosymbionts enclosing plastids as well as relic nuclei (nucleomorphs). We provide the evidence for the presence of DNA in the two nucleomorphs and transfer of endosymbiont genes to the host (dinoflagellate) genomes. Furthermore, DNA transfer between the host and endosymbiont nuclei was found to be in progress in both MGD and TGD systems. Phylogenetic analyses successfully resolved the origins of the endosymbionts at the genus level. Combined, we conclude that the host-endosymbiont integration in MGD/TGD is less advanced than that in cryptophytes/chrorarachniophytes, and propose the two dinoflagellates as new models for elucidating organellogenesis.