Abstract Deep sea cold seep sediments host abundant and diverse bacterial and archaeal populations that significantly influence biogeochemical cycles. While numerous studies have revealed the community structure and functional capabilities of cold seep microbiomes, little is known about their genetic heterogeneity within species. Here, we examined intraspecies diversity patterns of 39 abundant species identified in sediment layers down to 4.3 mbsf across six cold seep sites from around the world. These species were predicted to participate in methane oxidation and sulfate reduction, and based on their metabolic capabilities, grouped as aerobic methane-oxidizing bacteria (MOB), anaerobic methanotrophic archaea (ANME) and sulfate-reducing bacteria (SRB). These physiologically and phylogenetically diverse MOB, ANME and SRB display different degrees of intrapopulation sequence divergence and different evolutionary trajectories. Populations were in general characterized by low rates of homologous recombination and strong purifying selection with most of the nucleotide variation being synonymous. Functional genes related to methane ( pmoA and mcrA ) and sulfate ( dsrA ) metabolisms were found to be under strong purifying selection in the vast majority of species investigated, although examples of active positive selection were also observed. These genes differed in evolutionary trajectories across phylogenetic clades but are functionally conserved across cold seep sites. Intrapopulation diversification of MOB, ANME and SRB species as well as their mcrA and dsrA genes was observed to be depth-dependent and undergo divergent selection pressures throughout the sediment column. These results highlight the role of the interplay between ecological processes and the evolution of key bacteria and archaea in deep sea cold seep sediments and shed light on how microbial populations adapt in the subseafloor biosphere.

Abstract Anaerobic oxidation of methane (AOM) coupled with reduction of metal oxides is supposed to be a globally important bioprocess in marine sediments. However, the responsible microorganisms and their contributions to methane budget are not clear in deep sea cold seep sediments. Here, we combined geochemistry, muti-omics and numerical modeling to study metal-dependent AOM in methanic cold seep sediments in the northern continental slope of the South China Sea. Geochemical data based on methane concentrations, carbon stable isotope, solid-phase sediment analysis and pore water measurements indicate the occurrence of anaerobic methane oxidation coupled to metal oxides reduction in the methanic zone. The 16S rRNA gene amplicons and transcripts, along with metagenomic and metatranscriptomic data suggest that diverse ANME groups actively mediated methane oxidation in the methanic zone either independently or in syntrophy with e.g. ETH-SRB1 as potential metal reducers. Modeling results suggest that the estimated rates of methane consumption via Fe-AOM and Mn-AOM were both 0.3 μmol cm -2 yr -1 , which account for ∼3% of total CH 4 removal in sediments. Overall, our results highlight metal-driven anaerobic oxidation of methane as an important methane sink in methanic cold seep sediments.

Single-cell technologies have enabled extensive analysis of complex immune composition, phenotype and interactions within tumor, which is crucial in understanding the mechanisms behind cancer progression and treatment resistance. Unfortunately, the knowledge on cell phenotypes and their spatial interactions at present has only limited utilization in guiding pathological stratification on patients based on their immune microenvironments for better clinical decisions. Here we used imaging mass cytometry (IMC) to simultaneously quantify 35 proteins in a spatially resolved manner on tumor tissues from melanoma patients receiving anti-programmed cell death-1 (anti-PD-1) therapy. Unbiased single-cell analysis revealed highly dynamic tumor-immune microenvironments that are characterized with variable tumor and immune cell phenotypes and their organizations across and within melanomas, and identified distinct archetypes of melanoma microenvironments that are associated with benefit from anti-PD-1 therapy based on high-dimensional multicellular features. Our results demonstrate the utility of multiplex proteomic imaging technologies in studying complex molecular events in a spatially resolved manner for the development of new strategies for patient stratification and treatment outcome prediction.

Abstract Cold seeps, where cold hydrocarbon-rich fluid escapes from the seafloor, showed strong enrichment of toxic metalloid arsenic (As). The toxicity and mobility of As can be greatly altered by microbial processes that play an important role in global As biogeochemical cycling. However, a global overview of genes and microbes involved in As transformation at seeps remains to be fully unveiled. Using 87 sediment metagenomes and 33 metatranscriptomes derived from 13 globally distributed cold seeps, we show that As detoxification genes ( arsM, arsP, arsC1 / arsC 2, acr3 ) were prevalent at seeps and more phylogenetically diverse than previously expected. Asgardarchaeota and a variety of unidentified bacterial phyla (e.g. 4484-113, AABM5-125-24 and RBG-13-66-14) may also function as the key players in As transformation. The abundances of As-cycling genes and the compositions of As-associated microbiome shifted across different sediment depths or types of cold seep. The energy-conserving arsenate reduction or arsenite oxidation could impact biogeochemical cycling of carbon and nitrogen, via supporting carbon fixation, hydrocarbon degradation and nitrogen fixation. Overall, this study provides a comprehensive overview of As-cycling genes and microbes at As-enriched cold seeps, laying a solid foundation for further studies of As cycling in deep sea microbiome at the enzymatic and processual levels.