The 4 202 353 bp genome of the alkaliphilic bacterium Bacillus halodurans C-125 contains 4066 predicted protein coding sequences (CDSs), 2141 (52.7%) of which have functional assignments, 1182 (29%) of which are conserved CDSs with unknown function and 743 (18. 3%) of which have no match to any protein database. Among the total CDSs, 8.8% match sequences of proteins found only in Bacillus subtilis and 66.7% are widely conserved in comparison with the proteins of various organisms, including B.subtilis. The B. halodurans genome contains 112 transposase genes, indicating that transposases have played an important evolutionary role in horizontal gene transfer and also in internal genetic rearrangement in the genome. Strain C-125 lacks some of the necessary genes for competence, such as comS, srfA and rapC, supporting the fact that competence has not been demonstrated experimentally in C-125. There is no paralog of tupA, encoding teichuronopeptide, which contributes to alkaliphily, in the C-125 genome and an ortholog of tupA cannot be found in the B.subtilis genome. Out of 11 sigma factors which belong to the extracytoplasmic function family, 10 are unique to B. halodurans, suggesting that they may have a role in the special mechanism of adaptation to an alkaline environment.

The origin of eukaryotes remains unclear

Abstract Marine sediments represent a vast habitat for complex microbiomes. Among these, ammonia oxidizing archaea (AOA) of the phylum Thaumarchaeota are one of the most common, yet little explored inhabitants, that seem extraordinarily well adapted to the harsh conditions of the subsurface biosphere. We present 11 metagenome-assembled genomes of the most abundant AOA clades from sediment cores obtained from the Atlantic Mid-Ocean ridge flanks and Pacific abyssal plains. Their phylogenomic placement reveals three independently evolved clades within the order Ca. Nitrosopumilales, of which no cultured representative is known yet. In addition to the gene sets for ammonia oxidation and carbon fixation known from other AOA, all genomes encode an extended capacity for the conversion of fermentation products that can be channeled into the central carbon metabolism, as well as uptake of amino acids probably for protein maintenance or as an ammonia source. Two lineages encode an additional (V-type) ATPase and a large repertoire of gene repair systems that may allow to overcome challenges of high hydrostatic pressure. We suggest that the adaptive radiation of AOA into marine sediments occurred more than once in evolution and resulted in three distinct lineages with particular adaptations to this extremely energy limiting and high-pressure environment.

Abstract Some sea slugs sequester chloroplasts from algal food in their intestinal cells and photosynthesize for months. This phenomenon, kleptoplasty, poses a question of how the chloroplast retains its activity without the algal nucleus. There have been debates on the horizontal transfer of algal genes to the animal nucleus. To settle the arguments, this study reported the genome of a kleptoplastic sea slug Plakobranchus ocellatus and found no evidence of photosynthetic genes encoded on the nucleus. Nevertheless, it was confirmed that light illumination prolongs the life of mollusk under starvation. These data presented a paradigm that a complex adaptive trait, as typified by photosynthesis, can be transferred between eukaryotic kingdoms by a unique organelle transmission without nuclear gene transfer. Our phylogenomic analysis showed that genes for proteolysis and immunity undergo gene expansion and are up-regulated in chloroplast-enriched tissue, suggesting that these molluskan genes are involved in the DNA-independent phenotype acquisition.

An anaerobic, mesophilic, syntrophic, archaeon strain MK-D1 T , was isolated as a pure co-culture with Methanogenium sp. strain MK-MG from deep-sea methane seep sediment. This organism is, to our knowledge, the first cultured representative of ‘Asgard’ archaea, an archaeal group closely related to eukaryotes. Here, we describe the detailed physiology and phylogeny of MK-D1 T and propose Promethearchaeum syntrophicum gen. nov., sp. nov. to accommodate this strain. Cells were non-motile, small cocci, approximately 300–750 nm in diameter and produced membrane vesicles, chains of blebs and membrane-based protrusions. MK-D1 T grew at 4–30 °C with optimum growth at 20 °C. The strain grew chemoorganotrophically with amino acids, peptides and yeast extract with obligate dependence on syntrophy with H 2 -/formate-utilizing organisms. MK-D1 T showed the fastest growth and highest maximum cell yield when grown with yeast extract as the substrate: approximately 3 months to full growth, reaching up to 6.7×10 6 16S rRNA gene copies ml −1 . MK-D1 T had a circular 4.32 Mb chromosome with a DNA G+C content of 31.1 mol%. The results of phylogenetic analyses of the 16S rRNA gene and conserved marker proteins indicated that the strain is affiliated with ‘Asgard’ archaea and more specifically DHVC1/DSAG/MBG-B and ‘Lokiarchaeota’/‘Lokiarchaeia’. On the basis of the results of 16S rRNA gene sequence analysis, the most closely related isolated relatives were Infirmifilum lucidum 3507LT T (76.09 %) and Methanothermobacter tenebrarum RMAS T (77.45 %) and the closest relative in enrichment culture was Candidatus ‘Lokiarchaeum ossiferum’ (95.39 %). The type strain of the type species is MK-D1 T (JCM 39240 T and JAMSTEC no. 115508). We propose the associated family, order, class, phylum, and kingdom as Promethearchaeaceae fam. nov., Promethearchaeales ord. nov., Promethearchaeia class. nov., Promethearchaeota phyl. nov., and Promethearchaeati regn. nov., respectively. These are in accordance with ICNP Rules 8 and 22 for nomenclature, Rule 30(3)(b) for validation and maintenance of the type strain, and Rule 31a for description as a member of an unambiguous syntrophic association.

Abstract RNA viruses are distributed throughout various environments, and most RNA viruses have recently been identified by metatranscriptome sequencing. However, due to the high nucleotide diversity of RNA viruses, it is still challenging to identify novel RNA viruses from metatranscriptome data. To overcome this issue, we created a dataset of RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) domains that are essential for all RNA viruses belonging to Orthornavirae . Genes with RdRp domains from various RNA viruses were clustered based on their amino acid sequence similarity. For each cluster, a multiple sequence alignment was generated, and a hidden Markov model (HMM) profile was created if the number of sequences was greater than three. We further refined the 426 HMM profiles by detecting the RefSeq RNA virus sequences and subsequently combined the hit sequences with the RdRp domains. As a result, a total of 1,182 HMM profiles were generated from 12,502 RdRp domain sequences, and the dataset was named NeoRdRp. Almost all NeoRdRp HMM profiles successfully detected RdRp domains, specifically in the UniProt dataset. Furthermore, we compared the NeoRdRp dataset with two previously reported methods for RNA virus detection using metatranscriptome sequencing data. Our methods successfully identified most of the RNA viruses in the datasets; however, some RNA viruses were not detected, as in the cases of the other two methods. The NeoRdRp can be repeatedly improved by adding new RdRp sequences and is applicable as a system for detecting various RNA viruses from diverse metatranscriptome data.

It has been hypothesized that abundant heterotrophic ocean bacterioplankton in the SAR202 clade of the phylum Chloroflexi evolved specialized metabolism for the oxidation of organic compounds that are resistant to microbial degradation via common metabolic pathways. Expansions of paralogous enzymes were reported and implicated in hypothetical metabolism involving monooxygenase and dioxygenase enzymes. In the metabolic schemes proposed, the paralogs serve the purpose of diversifying the range of organic molecules that cells can utilize. To further explore this question, we reconstructed SAR202 single amplified genomes and metagenome-assembled genomes from locations around the world, including the deepest ocean trenches. In analyses of 122 SAR202 genomes that included six subclades spanning SAR202 diversity, we observed additional evidence of paralog expansions that correlated with evolutionary history, and further evidence of metabolic specialization. Consistent with previous reports, families of flavin-dependent monooxygenases were observed mainly in the Group III SAR202, in the proposed class Monstramaria and expansions of dioxygenase enzymes were prevalent in Group IV. We found that Group I SAR202 encode expansions of racemases in the enolase superfamily, which we propose evolved for the degradation of compounds that resist biological oxidation because of chiral complexity. Supporting the conclusion that the paralog expansions indicate metabolic specialization, fragment recruitment and fluorescence in situ hybridization with phylogenetic probes showed that SAR202 subclades are indigenous to different ocean depths and geographical regions. Surprisingly, some of the subclades were abundant in surface waters and contained rhodopsin genes, altering our understanding of the ecological role of SAR202 in stratified water columns.

RNA viruses form a dynamic distribution of mutant swarm (termed 'quasispecies') due to the accumulation of mutations in the viral genome. The genetic diversity of a viral population is affected by several factors, including a bottleneck effect. Human-to-human transmission exemplifies a bottleneck effect in that only part of a viral population can reach the next susceptible hosts. In the present study, the rhesus rotavirus (RRV) strain of Rotavirus A was serially passaged five times at a multiplicity of infection (MOI) of 0.1 or 0.001 in duplicate (the 1st and 2nd lineages), and three phenotypes (infectious titer, cell binding ability and specific growth rate) were used to evaluate the impact of a bottleneck effect on the RRV population. The specific growth rate values of lineages passaged under the stronger bottleneck (MOI of 0.001) were higher after five passages. The nucleotide diversity also increased, which indicated that the mutant swarms of the lineages under the stronger bottleneck effect were expanded through the serial passages. The random distribution of synonymous and non-synonymous substitutions on rotaviral genome segments indicated that almost all mutations were selectively neutral. Simple simulations revealed that the presence of minor mutants could influence the specific growth rate of a population in a mutant frequency-dependent manner. These results indicate that a stronger bottleneck effect can create more sequence spaces for minor mutants originally existing in a hidden layer of mutant swarm.

The origin of eukaryotes remains enigmatic. Current data suggests that eukaryotes may have risen from an archaeal lineage known as “Asgard archaea”. Despite the eukaryote-like genomic features found in these archaea, the evolutionary transition from archaea to eukaryotes remains unclear due to the lack of cultured representatives and corresponding physiological insight. Here we report the decade-long isolation of a Lokiarchaeota-related Asgard archaeon from deep marine sediment. The archaeon, “ Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum strain MK-D1”, is an anaerobic, extremely slow-growing, small cocci (∼550 nm), that degrades amino acids through syntrophy. Although eukaryote-like intracellular complexities have been proposed for Asgard archaea, the isolate has no visible organella-like structure. Ca . P. syntrophicum instead displays morphological complexity – unique long, and often, branching protrusions. Based on cultivation and genomics, we propose an “Entangle-Engulf-Enslave (E3) model” for eukaryogenesis through archaea-alphaproteobacteria symbiosis mediated by the physical complexities and metabolic dependency of the hosting archaeon.

Recent massive metatranscriptome mining substantially expanded the diversity of the bacterial RNA virome, suggesting that additional groups of riboviruses infecting bacterial hosts remain to be discovered. We employed full length double-stranded (ds) RNA sequencing for identification of riboviruses associated with microbial consortia dominated by bacteria and archaea in acidic hot springs in Japan. Whole sequences of two groups of multisegmented riboviruses genomes were obtained. One group, which we denoted hot spring riboviruses (HsRV), consists of unusual viruses with distinct RNA-dependent RNA polymerases (RdRPs) that seem to be intermediates between typical ribovirus RdRPs and viral reverse transcriptases. We also identified viruses encoding HsRV-like RdRPs in moderate aquatic environments, including marine water, river sediments and salt marsh, indicating that this previously overlooked ribovirus group is not restricted to the extreme ecosystem. The HsRV-like viruses are candidates for a distinct phylum or even kingdom within the viral realm Riboviria. The second group, denoted hot spring partiti-like viruses (HsPV), is a distinct branch within the family Partitiviridae. All genome segments in both these groups of viruses display the organization typical of bacterial riboviruses, where multiple open reading frames encoding individual proteins are preceded by ribosome-binding sites. Together with the identification in bacteria-dominated habitats, this genome architecture indicates that riboviruses of these distinct groups infect thermoacidophilic bacterial hosts.