Abstract Polyploidy, the phenomenon of having more than one copy of the genome in an organism, is common among haloarchaea. While providing short-term benefits for DNA repair, polyploidy is generally regarded as an ‘evolutionary trap’ that by the notion of the Muller’s ratchet will inevitably conclude in the species’ decline or even extinction due to a gradual reduction in fitness. In most reported cases of polyploidy in archaea, the genetic state of the organism is considered as homoploidy i.e. all copies of the genome are identical. Here we demonstrate that while this is indeed the prevalent genetic status in the halophilic archaeon H . volcanii, its close relative H. mediterranei maintains a prolonged heteroploidy state in a non-selective environment once a second allele is introduced. Moreover, a strong genetic linkage was observed between two distant loci in H. mediterranei indicating a low rate of homologous recombination while almost no such linkage was shown in H. volcanii indicating a high rate of recombination in the latter species. We suggest that H. volcanii escapes Muller’s ratchet by means of an effective chromosome-equalizing gene-conversion mechanism facilitated by highly active homologous recombination, whereas H. mediterranei must elude the ratchet via a different, yet to be elucidated mechanism.

Abstract In some extreme environments, archaeal cells have been shown to have chronic viral infections, and such infections are well-tolerated by the hosts and may potentially protect against more lethal infections by lytic viruses. We have discovered that a natural Haloferax strain (48N), which is closely related to the model organism Haloferax volcanii, is chronically-infected by a lemon-shaped virus, which we could purify from the medium. The chronic infection by this virus, which we named LSV-48N, is never cleared, despite the multiple defense systems of the host that include CRISPR-Cas, and two CBASS systems. Curing 48N of its virus by genetic engineering, led to radical changes in the gene expression profile of 48N and a dramatic improvement in its growth rate. Remarkably, the cured 48N is the fastest-growing haloarchaeon reported to date, with a generation time of approximately 1 hour at 45°C compared to the typical 2.5 hours of H. volcanii or its infected isogen, and faster than any known haloarchaeon. The virus subverts host defenses by reducing their transcription and interfering with the CRISPR spacer acquisition machinery. Our results suggest that the slow growth of many halophilic archaea could be due to the effects of proviruses within their genomes that consume resources and alter the gene expression of their hosts.

In this study, we use pan-genomics to characterize the organized variability from the widely dispersed halophilic archaeal species Halorubrum ezzemoulense. We include a multi-regional sampling of newly sequenced, high-quality draft genomes. Using the pan-genome graph of the species, we discover 50 genomic islands which represent rare accessory genetic capabilities available to members of the species. 19 of these islands are likely the remnant of mobile genetic elements and are enriched for genomic dark matter. 10 islands encode for niche adapting solute transporters, with a cosmopolitan but limited distribution throughout the strains. We also observe rearrangements which have led to the insertion/recombination/replacement of mutually exclusive genomic islands in equivalent genome positions ("homeocassettes"). These conflicting islands encode for similar functions, but homologs from islands located between the same core genes exhibit extreme divergence on the amino acid level. Homeocasettes provide variations for a homologous function, which may confer a greater range of adaptability to the species group. We observe some islands that appear geographically restricted; however, we also observe the coexistence of genomes, in a single geographic region, with and without certain genomic islands, demonstrating the retention and spread of rare genes in the pan-genome.