Abstract Thermosipho species inhabit various extreme environments such as marine hydrothermal vents, petroleum reservoirs and terrestrial hot springs. A 16S rRNA phylogeny of available Thermosipho spp. sequences suggested habitat specialists adapted to living in hydrothermal vents only, and habitat generalists inhabiting oil reservoirs, hydrothermal vents and hotsprings. Comparative genomics and recombination analysis of the genomes of 15 Thermosipho isolates separated them into three species with different habitat distributions, the widely distributed T. africanus and the more specialized, T. melanesiensis and T. affectus . The three Thermosipho species can also be differentiated on the basis of genome content. For instance the T. africanus genomes had the largest repertoire of carbohydrate metabolism, which could explain why these isolates were obtained from ecologically more divergent habitats. The three species also show different capacities for defense against foreign DNA. T. melanesiensis and T. africanus both had a complete RM system, while this was missing in T. affectus . These observations also correlated with Pacbio sequencing, which revealed a methylated T. melanesiensis BI431 genome, while no methylation was detected among two T. affectus isolates. All the genomes carry CRISPR arrays accompanied by more or less complete CRISPR-cas systems. Interestingly, some isolates of both T. melanesiensis and T. africanus carry integrated prophage elements, with spacers matching these in their CRISPR arrays. Taken together, the comparative genomic analyses of Thermosipho spp. revealed genetic variation allowing habitat differentiation within the genus as well as differentiation with respect to invading mobile DNA that is present in subsurface ecosystems.

Abstract Thermosipho species inhabit thermal environments such as marine hydrothermal vents, petroleum reservoirs and terrestrial hot springs. A 16S rRNA phylogeny of available Thermosipho spp. sequences suggested habitat specialists adapted to living in hydrothermal vents only, and habitat generalists inhabiting oil reservoirs, hydrothermal vents and hotsprings. Comparative genomics of 15 Thermosipho genomes separated them into three distinct species with different habitat distributions: the widely distributed T. africanus and the more specialized, T. melanesiensis and T. affectus . Moreover, the species can be differentiated on the basis of genome size, genome content and immune system composition. For instance, the T. africanus genomes are largest and contained the most carbohydrate metabolism genes, which could explain why these isolates were obtained from ecologically more divergent habitats. Nonetheless, all the Thermosipho genomes, like other Thermotogae genomes, show evidence of genome streamlining. Genome size differences between the species could further be correlated to differences in defense capacities against foreign DNA, which influence recombination via HGT. The smallest genomes are found in T. affectus that contain both CRISPR-cas Type I and III systems, but no RM system genes. We suggest that this has caused these genomes to be almost devoid of mobile elements, contrasting the two other species genomes that contain a higher abundance of mobile elements combined with different immune system configurations. Taken together, the comparative genomic analyses of Thermosipho spp. revealed genetic variation allowing habitat differentiation within the genus as well as differentiation with respect to invading mobile DNA.

Abstract Background Deep-sea harbor enormous viruses, yet their diversity and interactions with hosts in hydrothermal ecosystem are largely unknown. Here, we analyzed the viral composition, distribution, host preference and metabolic potential in different inhabits of global hydrothermal vents. Results From 34 samples of eight vent sites, a total of 4,662 viral populations were recovered from the metagenome assemblies, encompassing diverse phylogenetic groups and defining many novel lineages. Apart for the abundant unclassified viruses, tailed phages are most predominant across the global hydrothermal vents, while single-stranded DNA viruses including Microviridae and small eukaryotic viruses also constitute a significant part of the viromes. These viral populations were grouped into 1,138 genus-level clusters by protein-sharing network analysis. More than half were exclusively of hydrothermal origin, reflecting the remarkable novelty of hydrothermal viruses. Among the typical niches, vent plumes own the largest number of viral clusters compared to diffuse flows and sediments. Moreover, merely 11% of the viral populations can be linked to specific hosts, which are the key microbial taxa of hydrothermal habitats, such as Gammaproteobacteria and Campylobacteraeota. Intriguingly, vent viromes shared some metabolic features in common that they encode auxiliary genes extensively involved in metabolisms of carbohydrate, amino acid, cofactors and vitamins. Specifically in plume viruses, various auxiliary genes related with the methane, nitrogen and sulfur metabolisms were observed, indicating their contribution to host’s energy conservation. Moreover, the prevalence of sulfur relay pathway genes notified the significant role of vent virus in stabilizing tRNA structure, which promotes host’s adaptation to the steep environmental gradients. Conclusions The deep-sea hydrothermal systems reserve an untapped viral diversity with novelty. They may affect both vent prokaryotic and eukaryotic communities, and modulate host metabolisms related to vent adaptability. More explorations are needed to depict global vent virus diversity and their role in the unique ecosystem.

ABSTRACT Phylogenomic analyses of bacteria from the phylum Thermotogota have shown extensive lateral gene transfer (LGT) with distantly related organisms, particularly with Firmicutes. One likely mechanism of such DNA transfer is viruses. However, to date only three temperate viruses have been characterized in this phylum, all infecting bacteria from the Marinitoga genus. Here we report 17 proviruses integrated into genomes of eight Thermotogota genera and induce viral particle production from one of the proviruses. The proviruses fall into two groups based on sequence similarity, gene synteny and taxonomic classification. Proviruses of one group are found in six genera and are similar to the previously identified Marinitoga viruses, while proviruses from the second group are only distantly related to the proviruses of the first group, have different genome organization and are found in only two genera. Both groups are closely related to Firmicutes in genomic and phylogenetic analyses, and one of the groups show evidence of very recent LGT and are therefore likely capable of infecting cells from both phyla. We conjecture that viruses are responsible for a large portion of the observed gene flow between Firmicutes and Thermotogota.