Abstract Ancient bacteria largely lived and flourished as free-living cells till the rise of eukaryotes triggered their adaptation to a new habitat: the intracellular milieu. Rickettsiales bacteria are the most prevalent intracellular microorganisms discovered and the culprits behind some of mankind’s worst pestilential diseases. Here, we show that intracellularity is not a defining feature of the group and describe the eco-evolutionary processes that transformed harmless free-living bacteria into obligate intracellular symbionts and parasites. We found that the evolution of free-living lineages towards enhanced cross-feeding interactions with microbial eukaryotes trapped them in a nutritional bind to their trophic partners. We discovered that the oldest Rickettsiales lineages are the closest relatives to modern eukaryotes and are enriched in proteins predicted to have been present in the mitochondrial ancestor. This study not only opens avenues for the detection and surveillance of emerging diseases but also expands our understanding of the origins of complex life. One-Sentence Summary Cross-feeding interactions shaped Rickettsiales genomic architectures along the parasite/free-living spectrum

Abstract Diplonemids are considered marine protists and have been reported among the most abundant and diverse eukaryotes in the world oceans. Recently we detected the presence of freshwater diplonemids in Lake Biwa, Japan. However, their distribution and abundances in freshwater ecosystems remain unknown. We assessed abundance and diversity of diplonemids from several geographically distant deep freshwater lakes of the world by amplicon-sequencing, shotgun metagenomics and CARD-FISH. We found diplonemids in all the studied lakes, albeit with low abundances and diversity. We assembled long 18S rRNA sequences from freshwater diplonemids and showed that they form a new lineage distinct from the diverse marine clades. Freshwater diplonemids are a sister-group to marine isolates from coastal and bay areas, suggesting a recent habitat transition from marine to freshwater habitats. Images of CARD-FISH targeted freshwater diplonemids suggest they feed on bacteria. Our analyses of 18S rRNA sequences retrieved from single cell genomes of marine diplonemids shows they encode multiple rRNA copies that may be very divergent from each other, suggesting that marine diplonemid abundance and diversity both have been overestimated. These results have wider implications on assessing eukaryotic abundances in natural habitats by using amplicon-sequencing alone.

Aerobic anoxygenic phototrophic (AAP) bacteria are heterotrophic bacteria that supply their metabolism with light energy harvested by bacteriochlorophyll-a-containing reaction centres. Despite their substantial contribution to bacterial biomass, microbial food webs and carbon cycle, their phenology in freshwater lakes remains unknown. Hence, we investigated seasonal variations of AAP abundance and community composition biweekly across three years in a temperate, meso-oligotrophic freshwater lake. AAP bacteria displayed a clear seasonal trend with a spring maximum following the bloom of phytoplankton and a secondary maximum in autumn. As the AAP bacteria represent a highly diverse assemblage of species, we followed their seasonal succession using the amplicon sequencing of the pufM marker gene. To enhance the accuracy of the taxonomic assignment, we developed new pufM primers that generate longer amplicons and compiled the currently largest database of pufM gene, comprising 3633 reference sequences spanning all phyla known to contain AAP species. With this novel resource we demonstrated recurrent and dynamic seasonal succession of the AAP community. The majority of the species appeared during specific phases of the seasonal cycle, with less than 2% of AAP species detected during the whole year. Our results document the indigenous freshwater nature of the AAP community, characterized by high resilience and heterogenic adaptations to varying conditions of the freshwater environment. By integrating this information with the indicator of primary production (Chlorophyll-a) and existing ecological models, we show that AAP bacteria play a pivotal role in the recycling of dissolved organic matter released during spring phytoplankton bloom, contributing significantly to the ecological dynamics of lakes.

The persistent inertia in the ability to culture environmentally abundant microbes from aquatic ecosystems represents an obstacle in disentangling the complex web of ecological interactions spun by a diverse assortment of participants (pro- and eukaryotes and their viruses). In aquatic microbial communities, the numerically most abundant actors, the viruses, remain the most elusive, and especially in freshwaters their identities and ecology remain obscure. Here, using ultra-deep metagenomic sequencing from freshwater habitats we recovered complete genomes of >2000 phages, including small "miniphages" and large "megaphages" infecting iconic prokaryotic lineages. We also show that many phages encode genes that likely enhance survival of infected microbes during strong eukaryotic grazing pressure. For instance, we describe genes that afford protection to their host from reactive oxygen species (ROS) in the environment and from the oxidative burst in protist phagolysosomes (phage-mediated ROS defense) or those that directly effect targeted killing of the predators upon ingestion of a phage-infected microbe (Trojan horse). Spatiotemporal abundance analyses of phage genomes revealed evanescence as the primary dynamic in upper water layers, where they displayed short-lived existences. In contrast, persistence was characteristic for the deeper layers where many identical phage genomes were recovered repeatedly. Phage and host abundances corresponded closely, with distinct populations displaying preferential distributions in different seasons and depths, closely mimicking overall stratification and mixis.

Picocyanobacteria from the genera Prochlorococcus, Synechococcus, and Cyanobium are the most widespread photosynthetic organisms in aquatic ecosystems. However, their freshwater populations remain poorly explored, due to uneven and insufficient sampling across diverse inland waterbodies.

The ability to harness Sun’s electromagnetic radiation by channeling it into high-energy phosphate bonds empowered microorganisms to tap into a cheap and inexhaustible source of energy. Life’s billion-years history of metabolic innovations led to the emergence of only two biological complexes capable of harvesting light: one based on rhodopsins and the other on (bacterio)chlorophyll. Rhodopsins encompass the most diverse and abundant photoactive proteins on Earth and were until recently canonically split between type-1 (microbial rhodopsins) and type-2 (animal rhodopsins) families. Unexpectedly, the long-lived type-1/type-2 dichotomy was recently amended through the discovery of heliorhodopsins (HeRs) (Pushkarev et al. 2018), a novel and exotic family of rhodopsins (i.e. type-3) that evaded recognition in our current homology-driven scrutiny of life’s genomic milieu. Here, we bring to resolution the debated monoderm/diderm occurrence patterns by conclusively showing that HeR distribution is restricted to monoderms. Furthermore, through investigating protein domain fusions, contextual genomic information, and gene co-expression data we show that HeRs likely function as generalised light-dependent switches involved in the mitigation of light-induced oxidative stress and metabolic circuitry regulation. We reason that HeR’s ability to function as sensory rhodopsins is corroborated by their photocycle dynamics (Pushkarev et al. 2018) and that their presence and function in monoderms is likely connected to the increased sensitivity to light-induced damage of these organisms (Maclean et al. 2009).