The tree of life is one of the most important organizing principles in biology(1). Gene surveys suggest the existence of an enormous number of branches(2), but even an approximation of the full scale of the tree has remained elusive. Recent depictions of the tree of life have focused either on the nature of deep evolutionary relationships(3-5) or on the known, well-classified diversity of life with an emphasis on eukaryotes(6). These approaches overlook the dramatic change in our understanding of life's diversity resulting from genomic sampling of previously unexamined environments. New methods to generate genome sequences illuminate the identity of organisms and their metabolic capacities, placing them in community and ecosystem contexts(7,8). Here, we use new genomic data from over 1,000 uncultivated and little known organisms, together with published sequences, to infer a dramatically expanded version of the tree of life, with Bacteria, Archaea and Eukarya included. The depiction is both a global overview and a snapshot of the diversity within each major lineage. The results reveal the dominance of bacterial diversification and underline the importance of organisms lacking isolated representatives, with substantial evolution concentrated in a major radiation of such organisms. This tree highlights major lineages currently underrepresented in biogeochemical models and identifies radiations that are probably important for future evolutionary analyses.

Bacteriophages typically have small genomes

Abstract The Chloroflexi superphylum have been investigated primarily from the perspective of reductive dehalogenation of toxic compounds, anaerobic photosynthesis and wastewater treatment, but remain relatively little studied compared to their close relatives within the larger Terrabacteria group, including Cyanobacteria, Actinobacteria, and Firmicutes. Here, we conducted a detailed phylogenetic analysis of the phylum Chloroflexota, the phylogenetically proximal candidate phylum Dormibacteraeota , and a newly defined sibling phylum proposed in the current study, Eulabeiota . These groups routinely root together in phylogenomic analyses, and constitute the Chloroflexi supergroup. Chemoautotrophy is widespread in Chloroflexi. Two Form I Rubisco ancestral subtypes that both lack the small subunit are prevalent in ca. Eulabeiota and Chloroflexota , suggesting that the predominant modern pathway for CO 2 fixation evolved in these groups. The single subunit Form I Rubiscos are inferred to have evolved prior to oxygenation of the Earth’s atmosphere and now predominantly occur in anaerobes. Prevalent in both Chloroflexota and ca. Eulabeiota are capacities related to aerobic oxidation of gases, especially CO and H 2 . In fact, aerobic and anaerobic CO dehydrogenases are widespread throughout every class-level lineage, whereas traits such as denitrification and reductive dehalogenation are heterogeneously distributed across the supergroup. Interestingly, some Chloroflexota have a novel clade of group 3 NiFe hydrogenases that is phylogenetically distinct from previously reported groups. Overall, the analyses underline the very high level of metabolic diversity in the Chloroflexi supergroup, suggesting the ancestral metabolic platform for this group enabled highly varied adaptation to ecosystems that appeared in the aerobic world.

ABSTRACT Candidate Phyla Radiation (CPR) bacteria are small, likely episymbiotic organisms found across Earth’s ecosystems. Despite their prevalence, the distribution of CPR lineages across habitats and the genomic signatures of transitions amongst these habitats remain unclear. Here, we expand the genome inventory for Absconditabacteria (SR1), Gracilibacteria, and Saccharibacteria (TM7), CPR bacteria known to occur in both animal-associated and environmental microbiomes, and investigate variation in gene content with habitat of origin. By overlaying phylogeny with habitat information, we show that bacteria from these three lineages have undergone multiple transitions from environmental habitats into animal microbiomes. Based on co-occurrence analyses of hundreds of metagenomes, we extend the prior suggestion that certain Saccharibacteria have broad bacterial host ranges and constrain possible host relationships for Absconditabacteria and Gracilibacteria. Full-proteome analyses show that animal-associated Saccharibacteria have smaller gene repertoires than their environmental counterparts and are enriched in numerous protein families, including those likely functioning in amino acid metabolism, phage defense, and detoxification of peroxide. In contrast, some freshwater Saccharibacteria encode a putative rhodopsin. For protein families exhibiting the clearest patterns of differential habitat distribution, we compared protein and species phylogenies to estimate the incidence of lateral gene transfer and genomic loss occurring over the species tree. These analyses suggest that habitat transitions were likely not accompanied by large transfer or loss events, but rather were associated with continuous proteome remodeling. Thus, we speculate that CPR habitat transitions were driven largely by availability of suitable host taxa, and were reinforced by acquisition and loss of some capacities. IMPORTANCE Studying the genetic differences between related microorganisms from different environment types can indicate factors associated with their movement among habitats. This is particularly interesting for bacteria from the Candidate Phyla Radiation because their minimal metabolic capabilities require symbiotic associations with microbial hosts. We found that shifts of Absconditabacteria, Gracilibacteria, and Saccharibacteria between environmental ecosystems and mammalian mouths/guts probably did not involve major episodes of gene gain and loss; rather, gradual genomic change likely followed habitat migration. The results inform our understanding of how little-known microorganisms establish in the human microbiota where they may ultimately impact health.

Abstract Anaerobic methanotrophic (ANME) archaea conserve energy from the breakdown of methane, an important driver of global warming, yet the extrachromosomal genetic elements that impact the activities of ANME archaea are little understood. Here we describe large plasmids associated with ANME archaea of the Methanoperedens genus. These have been maintained in two bioreactors that contain enrichment cultures dominated by different Methanoperedens species and co-occur with Methanoperedens species in other anoxic environments. By manual curation we show that two of the plasmids are large (155,607 bp and 191,912 bp), circular, and replicate bidirectionally. The group of Methanoperedens species that carry these plasmids is related to “ Ca . Methanoperedens nitroreducens”, “ Ca . Methanoperedens ferrireducens”, “ Ca . Methanoperedens manganicus" and the plasmids occur in the same copy number as the main chromosome. The larger plasmid encodes transporters that potentially enhance access to Ni, which is required for the methyl-CoM reductase (Mcr), Co required for the cobalamin cofactor needed for methyltransferases, and amino acid uptake. We show that many plasmid genes are actively transcribed, including genes involved in plasmid chromosome maintenance and segregation, a Co 2+ /Ni 2+ transporter and cell protective proteins. Notably, one plasmid carries three tRNAs and two colocalized genes encoding ribosomal protein uL16 and elongation factor eEF2. These are not encoded in the host Methanoperedens genome and uL16 and eEF2 were highly expressed, indicating an obligate interdependence between this plasmid and its host. The finding of plasmids of Methanoperedens opens the way for the development of genetic vectors that could be used to probe little understood aspects of Methanoperedens physiology. Ultimately, this may provide a route to introduce or alter genes that may enhance growth and overall metabolism to accelerate methane oxidation rates.

Abstract Across the tree of life, gene lengths vary, but most are no more than a few thousand base pairs in length. The largest protein often reported is the ∼40,000 aa eukaryotic Titin. Even larger proteins may occur in the rapidly expanding set of metagenome-derived sequences, but their existence may be obscured by assembly fragmentation. Here, we leverage genome curation to complete metagenome-derived sequences that encode predicted proteins of up to 85,804 aa. Overall, the findings illuminate a huge knowledge gap related to giant proteins. Although predicted proteins of >30,000 aa occur in bacterial phyla such as Firmicutes and Actinobacteria , they are most common in ca. Omnitrophota, ultra small bacteria that adopt predatory lifestyles. All full length giant genes encode numerous transmembrane regions and most encode divergent secA DEAD helicase domains. In silico structural prediction of protein subregions was required to identify domains in unannotated protein segments, and revealed putative domains implicated in attachment and carbohydrate degradation. Many giant genes in new complete and near-complete Omnitrophota genomes occur in close proximity to genes homologous to type II secretion systems as well as carbohydrate import systems. This, in combination with the domain content, suggests that many bacterial giant proteins enable prey adhesion and cell wall digestion during bacterial predation.

Summary The family Methanoperedenaceae archaea mediate anaerobic oxidation of methane (AOM) in various terrestrial environments. In this study, we newly developed a high-pressure laboratory incubation system by controlling hydraulic pressure ranging from ambient to 5 MPa. Using the system, we investigated groundwater from 214- and 249-m deep boreholes at Horonobe Underground Research Laboratory, Japan, where the high and low abundances of Methanoperedenaceae archaea have been revealed by genome-resolved metagenomics, respectively. We incubated the groundwater samples amended with or without amorphous Fe(III) as an electron acceptor and 13 C-labelled methane at an in-situ pressure of 1.6 MPa. After three to seven-day incubation, AOM activities were not detected from the 249-m deep groundwater but from the 214-m deep groundwater. The AOM rates were 93.7 ± 40.6 and 27.7 ± 37.5 nM/day with and without Fe(III) amendment. To clarify the differences in AOM activity between the 214- and 249-m deep groundwater samples, we characterized Fe(III) contents in suspended particulates collected by filtration. The particulates were not visible in the 249-m deep groundwater on the filter, while they were abundant and contained Fe(III)-bearing phyllosilicates in the 214-m deep groundwater. These results support the in-situ activity of Fe(III)-dependent AOM in the deep subsurface borehole.

Methane emissions are mitigated by anaerobic methane-oxidizing archaea, including Methanoperedens. Some Methanoperedens host huge extrachromosomal genetic elements (ECEs) called Borgs that may modulate their activity, yet the broader diversity of Methanoperedens ECEs is understudied. Here we report small enigmatic linear ECEs, circular viruses and unclassified ECEs that are predicted to replicate within Methanoperedens. Linear ECEs have inverted terminal repeats, tandem repeats and coding patterns that are strongly reminiscent of Borgs, but they are only 52-145 kb in length. As they share proteins with Borgs and Methanoperedens, we refer to them as mini-Borgs. Mini-Borgs are genetically diverse and can be assigned to at least five family-level groups. We identify eight families of Methanoperedens viruses, some of which encode multi-haem cytochromes, and circular ECEs encoding transposon-associated TnpB genes with proximal population-heterogeneous CRISPR arrays. These ECEs exchange genetic information with each other and with Methanoperedens, probably impacting their archaeal host activity and evolution.

Phage typically have small genomes and depend on their bacterial hosts for replication. DNA sequenced from many diverse ecosystems revealed hundreds of huge phage genomes, between 200 kbp and 716 kbp in length. Thirty-four genomes were manually curated to completion, including the largest phage genomes yet reported. Expanded genetic repertoires include diverse and new CRISPR-Cas systems, tRNAs, tRNA synthetases, tRNA modification enzymes, translation initiation and elongation factors, and ribosomal proteins. Phage CRISPR-Cas systems have the capacity to silence host transcription factors and translational genes, potentially as part of a larger interaction network that intercepts translation to redirect biosynthesis to phage-encoded functions. In addition, some phage may repurpose bacterial CRISPR-Cas systems to eliminate competing phage. We phylogenetically define major clades of huge phage from human and other animal microbiomes, oceans, lakes, sediments, soils and the built environment. We conclude that their large gene inventories reflect a conserved biological strategy, observed over a broad bacterial host range and across Earth's ecosystems.

Abstract Methane emissions that contribute to climate change can be mitigated by anaerobic methane-oxidizing archaea such as Methanoperedens . Some Methanoperedens have huge extrachromosomal genetic elements (ECEs) called Borgs that may modulate their activity, yet the broader diversity of Methanoperedens ECEs is little studied. Here, we report small enigmatic linear ECEs, circular viruses and unclassified ECEs, that we predict replicate within Methanoperedens . The linear ECEs have features such as inverted terminal repeats, pervasive tandem repeats, and coding patterns that are strongly reminiscent of Borgs, but they are only 52 kb to 145 kb in length. They share proteins with Borgs and Methanoperedens . Thus, we refer to them as mini-Borgs. Mini-Borgs are genetically diverse and we assign them to at least five family-level groups. We also identify eight novel families of Methanoperedens viruses, some of which encode multiheme cytochromes, and unclassified circular ECEs that encode TnpB genes. A population-heterogeneous CRISPR array is in close proximity to the TnpB and has spacers that target other Methanoperedens ECEs including previously reported plasmids. The diverse groups of ECEs exchange genetic information with each other and with Methanoperedens , likely impacting the activity and evolution of these environmentally important archaea.