We report the draft genome sequence of the model moss Physcomitrella patens and compare its features with those of flowering plants, from which it is separated by more than 400 million years, and unicellular aquatic algae. This comparison reveals genomic changes concomitant with the evolutionary movement to land, including a general increase in gene family complexity; loss of genes associated with aquatic environments (e.g., flagellar arms); acquisition of genes for tolerating terrestrial stresses (e.g., variation in temperature and water availability); and the development of the auxin and abscisic acid signaling pathways for coordinating multicellular growth and dehydration response. The Physcomitrella genome provides a resource for phylogenetic inferences about gene function and for experimental analysis of plant processes through this plant's unique facility for reverse genetics.

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 genome sequence of a lycophyte hints at ancient evolutionary transitions.

The mutualistic symbiosis involving Glomeromycota, a distinctive phylum of early diverging Fungi, is widely hypothesized to have promoted the evolution of land plants during the middle Paleozoic. These arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) perform vital functions in the phosphorus cycle that are fundamental to sustainable crop plant productivity. The unusual biological features of AMF have long fascinated evolutionary biologists. The coenocytic hyphae host a community of hundreds of nuclei and reproduce clonally through large multinucleated spores. It has been suggested that the AMF maintain a stable assemblage of several different genomes during the life cycle, but this genomic organization has been questioned. Here we introduce the 153-Mb haploid genome of Rhizophagus irregularis and its repertoire of 28,232 genes. The observed low level of genome polymorphism (0.43 SNP per kb) is not consistent with the occurrence of multiple, highly diverged genomes. The expansion of mating-related genes suggests the existence of cryptic sex-related processes. A comparison of gene categories confirms that R. irregularis is close to the Mucoromycotina. The AMF obligate biotrophy is not explained by genome erosion or any related loss of metabolic complexity in central metabolism, but is marked by a lack of genes encoding plant cell wall-degrading enzymes and of genes involved in toxin and thiamine synthesis. A battery of mycorrhiza-induced secreted proteins is expressed in symbiotic tissues. The present comprehensive repertoire of R. irregularis genes provides a basis for future research on symbiosis-related mechanisms in Glomeromycota.

The Plant Transcription Factor Database (PlnTFDB; http://plntfdb.bio.uni-potsdam.de/v3.0/) is an integrative database that provides putatively complete sets of transcription factors (TFs) and other transcriptional regulators (TRs) in plant species (sensu lato) whose genomes have been completely sequenced and annotated. The complete sets of 84 families of TFs and TRs from 19 species ranging from unicellular red and green algae to angiosperms are included in PlnTFDB, representing >1.6 billion years of evolution of gene regulatory networks. For each gene family, a basic description is provided that is complemented by literature references, and multiple sequence alignments of protein domains. TF or TR gene entries include information of expressed sequence tags, 3D protein structures of homologous proteins, domain architecture and cross-links to other computational resources online. Moreover, the different species in PlnTFDB are linked to each other by means of orthologous genes facilitating cross-species comparisons.

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.

Coccolithophores have influenced the global climate for over 200 million years. These marine phytoplankton can account for 20 per cent of total carbon fixation in some systems. They form blooms that can occupy hundreds of thousands of square kilometres and are distinguished by their elegantly sculpted calcium carbonate exoskeletons (coccoliths), rendering them visible from space. Although coccolithophores export carbon in the form of organic matter and calcite to the sea floor, they also release CO2 in the calcification process. Hence, they have a complex influence on the carbon cycle, driving either CO2 production or uptake, sequestration and export to the deep ocean. Here we report the first haptophyte reference genome, from the coccolithophore Emiliania huxleyi strain CCMP1516, and sequences from 13 additional isolates. Our analyses reveal a pan genome (core genes plus genes distributed variably between strains) probably supported by an atypical complement of repetitive sequence in the genome. Comparisons across strains demonstrate that E. huxleyi, which has long been considered a single species, harbours extensive genome variability reflected in different metabolic repertoires. Genome variability within this species complex seems to underpin its capacity both to thrive in habitats ranging from the equator to the subarctic and to form large-scale episodic blooms under a wide variety of environmental conditions.

Hot, Toxic Eukaryote Unusually, the single-celled eukaryote red alga, Galdieria sulphuraria , can thrive in hot, acidic springs. This organism is endowed with extraordinary metabolic talents and can consume a variety of strange carbohydrates, as well as turn on photosynthesis when the food runs out. Schönknecht et al. (p. 1207 ; see the Perspective by Rocha ) discerned from phylogenetic analysis of its genome that during its evolution, G. sulphuraria appears to have commandeered at least 75 bacterial and archaeal genes by horizontal gene transfer and then applied gene expansion to boost its metabolic repertoire.

Summary

 Land plants evolved from charophytic algae, among which Charophyceae possess the most complex body plans. We present the genome of Chara braunii; comparison of the genome to those of land plants identified evolutionary novelties for plant terrestrialization and land plant heritage genes. C. braunii employs unique xylan synthases for cell wall biosynthesis, a phragmoplast (cell separation) mechanism similar to that of land plants, and many phytohormones. C. braunii plastids are controlled via land-plant-like retrograde signaling, and transcriptional regulation is more elaborate than in other algae. The morphological complexity of this organism may result from expanded gene families, with three cases of particular note: genes effecting tolerance to reactive oxygen species (ROS), LysM receptor-like kinases, and transcription factors (TFs). Transcriptomic analysis of sexual reproductive structures reveals intricate control by TFs, activity of the ROS gene network, and the ancestral use of plant-like storage and stress protection proteins in the zygote.

Ferns are the closest sister group to all seed plants, yet little is known about their genomes other than that they are generally colossal. Here, we report on the genomes of Azolla filiculoides and Salvinia cucullata (Salviniales) and present evidence for episodic whole-genome duplication in ferns-one at the base of 'core leptosporangiates' and one specific to Azolla. One fern-specific gene that we identified, recently shown to confer high insect resistance, seems to have been derived from bacteria through horizontal gene transfer. Azolla coexists in a unique symbiosis with N2-fixing cyanobacteria, and we demonstrate a clear pattern of cospeciation between the two partners. Furthermore, the Azolla genome lacks genes that are common to arbuscular mycorrhizal and root nodule symbioses, and we identify several putative transporter genes specific to Azolla-cyanobacterial symbiosis. These genomic resources will help in exploring the biotechnological potential of Azolla and address fundamental questions in the evolution of plant life.