Abstract Scientific exploration of phototrophic bacteria over nearly 200 years has revealed large phylogenetic gaps between known phototrophic groups that limit understanding of how phototrophy evolved and diversified. Through Boreal Shield lake water incubations, we cultivated an anoxygenic phototrophic bacterium from a previously unknown order within the Chloroflexota phylum that represents a highly novel transition form in the evolution of photosynthesis. Unlike all other known phototrophs, this bacterium uses a Type I reaction center (RCI) for light energy conversion yet belongs to the same bacterial phylum as organisms that use a Type II reaction center (RCII) for phototrophy. Using physiological, phylogenomic, and environmental metatranscriptomic data, we demonstrate active RCI-utilizing metabolism by the strain alongside usage of chlorosomes and bacteriochlorophylls related to those of RCII-utilizing Chloroflexota members. Despite using different reaction centers, our phylogenomic data provide strong evidence that RCI- and RCII-utilizing Chloroflexia members inherited phototrophy from a most recent common phototrophic ancestor that used RCI, RCII, or both reaction center classes, substantially revising our view of the diversity and evolution of phototrophic life. The Chloroflexota phylum preserves an evolutionary record of interaction between RCI and RCII among anoxygenic phototrophs that gives new context for exploring the origins of phototrophy on Earth.

Photoferrotrophy, the light-induced oxidation of ferrous iron, is thought to have contributed to primary production within Earth’s early anoxic oceans yet is presumed to be of little modern environmental relevance. Here we use genome-resolved metagenomics and enrichment cultivation to explore the potential for photoferrotrophy in the anoxic water columns of globally abundant Boreal Shield lakes. We recovered four high-completeness and low-contamination draft genome bins assigned to the class Chlorobia (formerly phylum Chlorobi ) from environmental metagenome data and enriched two novel sulfide-oxidizing species, also from the Chlorobia . The sequenced genomes of both enriched species, including the novel “ Candidatus Chlorobium canadense”, encoded the cyc2 candidate gene marker for iron oxidation, suggesting the potential for photoferrotrophic growth. Surprisingly, one of the environmental genome bins encoded cyc2 and lacked sulfur oxidation gene pathways altogether. Despite the presence of cyc2 in the corresponding draft genome, we were unable to induce photoferrotrophy in “ Ca. Chlorobium canadense”, suggesting that yet-unexplored mechanisms regulate expression of sulfide and ferrous iron oxidation gene systems, or that previously unrecognized functions for this outer membrane cytochrome exist. Doubling the known diversity of Chlorobia -associated cyc2 genes, metagenome data showed that putative photoferrotrophic populations occurred in one lake but that only sulfide-oxidizing populations were present in a neighboring lake, implying that strong ecological or geochemical controls govern the favourability of photoferrotrophy in aquatic environments. These results indicate that anoxygenic photoautotrophs in Boreal Shield lakes could have unexplored metabolic diversity that is controlled by ecological and biogeochemical drivers pertinent to understanding Earth’s early microbial communities.