Ammonia-oxidizing archaea are ubiquitous in marine and terrestrial environments and now thought to be significant contributors to carbon and nitrogen cycling. The isolation of Candidatus “ Nitrosopumilus maritimus ” strain SCM1 provided the opportunity for linking its chemolithotrophic physiology with a genomic inventory of the globally distributed archaea. Here we report the 1,645,259-bp closed genome of strain SCM1, revealing highly copper-dependent systems for ammonia oxidation and electron transport that are distinctly different from known ammonia-oxidizing bacteria. Consistent with in situ isotopic studies of marine archaea, the genome sequence indicates N. maritimus grows autotrophically using a variant of the 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutryrate pathway for carbon assimilation, while maintaining limited capacity for assimilation of organic carbon. This unique instance of archaeal biosynthesis of the osmoprotectant ectoine and an unprecedented enrichment of multicopper oxidases, thioredoxin-like proteins, and transcriptional regulators points to an organism responsive to environmental cues and adapted to handling reactive copper and nitrogen species that likely derive from its distinctive biochemistry. The conservation of N. maritimus gene content and organization within marine metagenomes indicates that the unique physiology of these specialized oligophiles may play a significant role in the biogeochemical cycles of carbon and nitrogen.

Globally distributed archaea comprising ammonia oxidizers of moderate terrestrial and marine environments are considered the most abundant archaeal organisms on Earth. Based on 16S rRNA phylogeny, initial assignment of these archaea was to the Crenarchaeota. By contrast, features of the first genome sequence from a member of this group suggested that they belong to a novel phylum, the Thaumarchaeota. Here, we re-investigate the Thaumarchaeota hypothesis by including two newly available genomes, that of the marine ammonia oxidizer Nitrosopumilus maritimus and that of Nitrososphaera gargensis, a representative of another evolutionary lineage within this group predominantly detected in terrestrial environments. Phylogenetic studies based on r-proteins and other core genes, as well as comparative genomics, confirm the assignment of these organisms to a separate phylum and reveal a Thaumarchaeota-specific set of core informational processing genes, as well as potentially ancestral features of the archaea. Globally distributed archaea comprising ammonia oxidizers of moderate terrestrial and marine environments are considered the most abundant archaeal organisms on Earth. Based on 16S rRNA phylogeny, initial assignment of these archaea was to the Crenarchaeota. By contrast, features of the first genome sequence from a member of this group suggested that they belong to a novel phylum, the Thaumarchaeota. Here, we re-investigate the Thaumarchaeota hypothesis by including two newly available genomes, that of the marine ammonia oxidizer Nitrosopumilus maritimus and that of Nitrososphaera gargensis, a representative of another evolutionary lineage within this group predominantly detected in terrestrial environments. Phylogenetic studies based on r-proteins and other core genes, as well as comparative genomics, confirm the assignment of these organisms to a separate phylum and reveal a Thaumarchaeota-specific set of core informational processing genes, as well as potentially ancestral features of the archaea.

Abstract This study describes reconstruction of two highly unusual archaeal genomes by de novo metagenomic assembly of multiple, deeply sequenced libraries from surface waters of Lake Tyrrell (LT), a hypersaline lake in NW Victoria, Australia. Lineage-specific probes were designed using the assembled genomes to visualize these novel archaea, which were highly abundant in the 0.1–0.8 μm size fraction of lake water samples. Gene content and inferred metabolic capabilities were highly dissimilar to all previously identified hypersaline microbial species. Distinctive characteristics included unique amino acid composition, absence of Gvp gas vesicle proteins, atypical archaeal metabolic pathways and unusually small cell size (approximately 0.6 μm diameter). Multi-locus phylogenetic analyses demonstrated that these organisms belong to a new major euryarchaeal lineage, distantly related to halophilic archaea of class Halobacteria. Consistent with these findings, we propose creation of a new archaeal class, provisionally named ‘Nanohaloarchaea’. In addition to their high abundance in LT surface waters, we report the prevalence of Nanohaloarchaea in other hypersaline environments worldwide. The simultaneous discovery and genome sequencing of a novel yet ubiquitous lineage of uncultivated microorganisms demonstrates that even historically well-characterized environments can reveal unexpected diversity when analyzed by metagenomics, and advances our understanding of the ecology of hypersaline environments and the evolutionary history of the archaea.

Significance An archaeal origin for eukaryotes is an exciting recent finding. Nevertheless, it has been based largely on the reconstruction of universal trees. The use of an alternative strategy based on markers shared between Archaea and eukaryotes and Archaea and Bacteria bypasses potential problems linked to the analysis of the three domains simultaneously. Comparison of the phylogenies obtained by these two complementary sets of markers supports a sister relationship between eukaryotes and the Thaumarchaeota/“Aigarchaeota” (candidate phylum)/Crenarchaeota/Korarchaeota lineage but also robustly indicates a root of the tree of Archaea that challenges the traditional topology of this domain. This sensibly changes our perspective of the ancient evolution of the Archaea, early life, and Earth.

The candidate division Korarchaeota comprises a group of uncultivated microorganisms that, by their small subunit rRNA phylogeny, may have diverged early from the major archaeal phyla Crenarchaeota and Euryarchaeota. Here, we report the initial characterization of a member of the Korarchaeota with the proposed name, "Candidatus Korarchaeum cryptofilum," which exhibits an ultrathin filamentous morphology. To investigate possible ancestral relationships between deep-branching Korarchaeota and other phyla, we used whole-genome shotgun sequencing to construct a complete composite korarchaeal genome from enriched cells. The genome was assembled into a single contig 1.59 Mb in length with a G + C content of 49%. Of the 1,617 predicted protein-coding genes, 1,382 (85%) could be assigned to a revised set of archaeal Clusters of Orthologous Groups (COGs). The predicted gene functions suggest that the organism relies on a simple mode of peptide fermentation for carbon and energy and lacks the ability to synthesize de novo purines, CoA, and several other cofactors. Phylogenetic analyses based on conserved single genes and concatenated protein sequences positioned the korarchaeote as a deep archaeal lineage with an apparent affinity to the Crenarchaeota. However, the predicted gene content revealed that several conserved cellular systems, such as cell division, DNA replication, and tRNA maturation, resemble the counterparts in the Euryarchaeota. In light of the known composition of archaeal genomes, the Korarchaeota might have retained a set of cellular features that represents the ancestral archaeal form.

Summary We recently described, in Cannabis sativa , the oldest sex chromosome system documented so far in plants. Based on our estimate of its age, we predicted that it should be shared by its sister genus Humulus , which is known to also possess XY sex chromosomes. Here, we used transcriptome sequencing of a F1 family of Humulus lupulus to identify and study the sex chromosomes in this species using the probabilistic method SEX-DETector. We identified 265 sex-linked genes in H. lupulus , located on the chromosome that is also the C. sativa sex chromosome pair. Using phylogenies of sex-linked genes, we show that a region of these chromosomes had already stopped recombining in the common ancestor of the two species. Furthermore, as in C. sativa , Y gene expression was reduced in correlation to the position on the X chromosome, and strongly Y degenerated genes showed dosage compensation. Here we report, for the first time in the Angiosperms, a sex chromosome system that is shared by two different genera. Recombination suppression started at least 21-25 My ago, and then (either gradually or step-wise) spread to a large part of the sex chromosomes, leading to a strongly degenerated Y.

Abstract Phylogenetic inference is mainly based on sequence analysis and requires reliable alignments. This can be challenging, especially when sequences are highly divergent. In this context, the use of three-dimensional protein structures is a promising alternative. In a recent study, we introduced an original topological data analysis method based on persistent homology to estimate the evolutionary distances from structures. The method was successfully tested on 518 protein families representing 22,940 predicted structures. However, as anticipated, the reliability of the estimated evolutionary distances was impacted by the quality of the predicted structures and the presence of indels in the proteins. This paper introduces a new topological descriptor, called bio-topological marker (BTM), which provides a more faithful description of the structures, as well as a topological analysis for estimating evolutionary distances from BTMs and a weight-filtering method adapted to protein structures. These new developments significantly improve the estimation of evolutionary distances and phylogenies inferred from structures.

Despite the rapid discovery of genes for rare genetic disorders, we continue to encounter individuals presenting with hitherto unknown syndromic manifestations. Here, we have studied four affected people in three families presenting with cholestasis, congenital diarrhea, impaired hearing and bone fragility, a clinical entity we have termed O2HE (Osteo-Oto-Hepato-enteric) syndrome. Whole exome sequencing of all affected individuals and their parents identified biallelic mutations in Unc-45 Myosin Chaperone A (UNC45A), as a likely driver for this disorder. Subsequent in vitro and in vivo functional studies of the candidate gene indicated a loss of function paradigm, wherein mutations attenuated or abolished protein activity with concomitant defects in gut development and function.