My dissertation focuses on genome and functional evolution of photosynthetic eukaryotes and the design and implementation of computational methods and tools to enable genome-wide studies to investigate these taxa. The work described here is grouped into two major topics, 1) endosymbiosis and genome evolution, and 2) harmful algal blooms. I discuss my work related to endosymbiosis and genome evolution in chapters 2-4. Chapters 5-6 cover the work related to harmful algal blooms. In chapter 1, I introduce the state-of-art of what is known about the history of plastids and evolution of photosynthesis in eukaryotes, an overview of marine harmful algae, and the specific aims of my dissertation. In chapter 2, I describe the design and implementation of the phylogenetic sorting tool, PhyloSort and the assembly of a high-throughput phylogenomic pipeline. Together, PhyloSort and the pipeline has become a key tool for multiple subsequent studies. chapter 2 also presents a case study using these tools in which we provide an estimate of the number of cyanobacterial genes that have been transferred to the nuclear genome of Plantae through primary endosymbiotic gene transfer; I use the model unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii for this purpose. In chapter 3, I discuss another case of prokaryotic contribution to the nucleus of photosynthetic eukaryotes. Here, the intriguing relationship of Chlamydiae-like bacteria and plants and algae is examined in a large-scale analysis, in which we scanned all available genomes of the primary photosynthetic organisms for genes of potential Chlamydiae origin. Surprisingly, we identified more than fifty Chlamydiae-derived genes in plants and algae. Here, we propose a model for the role that a Chlamydiae-like symbiont might have played in the establishment of the primary plastid in the common ancestor of Plantae. In chapter 4, I describe a study in which we explored the complete protein models of two diatom organisms as representative for photosynthetic chromalveolates and looked for genes that might have been acquired through endosymbiotic (secondary) or horizontal transfers from red or green algae. In contradiction of the “chromalveolate hypothesis” which states that photosynthesis in chromalveolates originated via the engulfment of a red alga symbiont, our study shows an unexpected green algal contribution that is fourfold greater than that of the canonical red algal symbiont. Our data suggest that the chromalveolate history includes a previously unrecognized green algal endosymbiont that was captured and lost prior to the more recent establishment of the red alga plastid, which is widespread in extant photosynthetic chromalveolates. In chapter 5, I discuss the identification of the phylogenetic origin of the genes involved in the biosynthetic pathway of saxitoxin in cyanobacteria. Here, we used a pyrosequencing approach to sequence de novo genomes of two strains of Anabaena circinalis, one of which is saxitoxin-producing and the other is non-toxic. Using comparative and phylogenetic analyses, I show that, within the saxitoxin gene cluster, genes that encode the key and unique enzymes in the pathway are of foreign origin that originated via horizontal transfer from non-cyanobacterial sources. These genes introduced the ability to produce saxitoxin in the ancestor of the toxic cyanobacterial clade. In chapter 6, I describe a gene expression study in which we used massively parallel signature sequencing (MPSS) to investigate RNA abundance patterns in the toxic dinoflagellate Alexandrium tamarense. This work provides the first clear evidence for the utilization by dinoflagellates of transcriptional to regulation. Moreover, using MPSS, we provide an estimate of the number of the distinct genes in Alexandrium tamarense; i.e., remarkably 40,000 loci. Taken together, our data indicate that dinoflagellates possess a great metabolic flexibility that allows them to efficiently toggle between photoautotrophy and heterotrophy based on the environmental conditions.

Les océans couvrent plus de 70% de la surface de la Terre (planète bleue) et la productivité primaire nette (PPN) marine est équivalente à celle terrestre. Alors qu‟il ne représente que 1% de la biomasse totale d‟organismes photosynthétiques de la planète, le phytoplancton est responsable d‟environ 45% de la PPN globale. Le terme phytoplancton décrit un assemblage polyphylétique comprenant des eucaryotes et procaryotes photosynthétiques dérivant avec les courants. Dans les océans contemporains, les diatomées constituent un groupe d‟eucaryotes unicellulaires autotrophes très abondant, responsable de 40% de la PPN marine. Les diatomées appartiennent à la lignée des straménopiles qui sont issus d‟un évènement d‟endosymbiose entre une algue rouge et un hôte hétérotrophe. Elles sont classifiées en deux groupes majeurs : les centriques qui son apparues il y a environ 200 millions d‟années (Ma), et les pennées qui ont évolué il y a environ 90 Ma. Deux génomes de diatomées ont récemment été séquencés : celui de la diatomée centrique Thalassiosira pseudonana (32 Mb), et celui de la diatomée pennée Phaeodactylum tricornutum (27 Mb). Mon sujet de doctorat s‟est focalisé sur l‟étude de différents aspects de la régulation de l‟expression génique ainsi que sur la dynamique et l‟évolution de ces génomes. L‟expression des gènes est régulée à différents niveaux: trancriptionel, post-transcriptionel, et épigénétique. Dans le cadre de mon doctorat, une étude de la régulation transcriptionelle chez les diatomées a été effectuée et comprend l‟identification et l‟analyse in silico des facteurs de transcription (FT). Cela a permis par exemple d‟établir qu‟une classe spécifique de FT, les Heat Shock Factors, sont particulièrement abondants chez les diatomées par rapport aux autres eucaryotes. L‟analyse de la représentation des FT identifiés dans différentes librairies d‟EST élaborées à partir de cultures ayant subi divers stress a permis de détecter certaines spécificités d‟expression. L‟évolution des génomes eucaryotes est largement impactée par les effets directs et secondaires des éléments transposables (ET) qui sont des éléments génétiques mobiles se trouvant dans le génome de la plupart des organismes. Dans le but d‟étudier la dynamique des génomes de diatomées, la recherche de différents types d‟ET a permis d‟établir qu‟une certaine classe, les rétrotransposons de type Copia, est la plus abondante dans ces génomes et constitue un part significativement plus importante du génome de P. tricornutum (5,8%) par rapport à T. pseudonana (1%). D‟autre part, des analyses phylogénitiques ont montré que les rétrotransposons de type copia forment deux classes distinctes et éloignées de la lignée Copia. L‟analyse de leurs niveaux d‟expression a montré que la transcription de deux éléments s‟active en réponse à des stress spécifiques comme la limitation en nitrate dans le milieu de culture. Cette activation est accompagnée par un hypométhylation de l‟ADN et l‟analyse de profils d‟insertions chez différents écotypes de P. tricornutum ainsi que l‟étude d‟autres phénomènes suggèrent que les rétrotransposons de type Copia ont joué un rôle important dans l‟évolution des diatomées. Mon grand intérêt pour les ET m‟a ensuite amené à chercher à les caractériser dans d‟autres génomes récemment séquencés tels celui de l‟algue brune Ectocarpus siliculosus. La recherche in silico de différents gènes codant des protéines capables d‟introduire ou de stabiliser des états épigénétiques telle que la modification des histones et la méthylation de l‟ADN a montré leur présence chez P. tricornutum ainsi que leurs particularités. La présence de certaines modifications d‟histones spécifiques d‟une conformation compacte ou ouverte de la chromatine dans le proteome de P. tricornutum a été montrée. De plus, la mise au point de la technique d‟immunoprécipitation de la chromatine chez P. tricornutum a permis d‟établir que les nucléosomes enrobés d‟éléments transposables étaient marqués par des modifications spécifiques. D‟autres expériences ont permis d‟établir que l‟ADN de différents types d‟éléments transposables est marqué par la méthylation de cytosines chez P. tricornutum. Une expérience permettant l‟analyse du profil de méthylation à l‟échelle de génome en utilisant une puce à ADN a été lancée et permettra de découvrir si certains gènes portent aussi des traces de méthylation. Enfin, les ARN interférents constituent un troisième mode de régulation de l‟expression se situant à l‟interface de la régulation transcriptionelle, post-transcriptionelle et épigénétique. Les mécanismes d‟interférences chez les diatomées ont été étudié par la recherche in silico d‟enzymes clés impliquées dans ce processus ainsi qu‟en établissant expérimentalement un lien direct avec la méthylation de l‟ADN.