Abstract Deep sea cold seep sediments have been discovered to harbor novel, abundant, and diverse bacterial and archaeal viruses. However, little is known about viral genetic features and evolutionary patterns in these environments. Here, we examined the evolutionary ecology of viruses across active and extinct seep stages in the area of Haima cold seeps in the South China Sea. Diverse antiviral defense systems in 487 microbial genomes spanning 43 families inform the dynamics of host-virus interactions. Accordingly, a total of 338 viral operational taxonomic units are identified and linked to 36 bacterial and archaeal phyla. Cold seep viruses are predicted to harbor diverse adaptive strategies to persist in this environment, including counter-defense systems, reverse transcriptases, auxiliary metabolic genes, and alternative genetic code assignments. Extremely low nucleotide diversity is observed in cold seep viral populations, being influenced by factors including microbial host, sediment depth and cold seep stage. Most cold seep viral genes are under strong purifying selection with trajectories that differ depending on whether cold seeps are active or extinct. This work sheds light on the understanding of environmental adaptation mechanisms and evolutionary patterns of viruses in the sub-seafloor biosphere.

Abstract The effect of seafloor cold seeps on the biogeochemical cycling of mercury (Hg) remains enigmatic. Here we demonstrate substantial enrichments of mercury and methylmercury, along with the presence of microbes capable of metabolizing mercury in sediments of the Haima cold seep, South China Sea, by analyzing mercury and methylmercury concentrations, mercury isotopic composition analyses and metagenomic analyses of sediment cores. Compared to the reference area, the sediments in the upper sediment column of the active-seep area were 2.4 times enriched in Hg and 10.5 times in methylmercury. The slope of the capital delta ratio of mercury 199 to mercury 201 (Δ 199 Hg/Δ 201 Hg) with 1.23 ± 0.10 in the active-seep area indicate the occurrence of dark redox reactions. Genes related to mercury methylation ( hgcA ), demethylation ( merB ) and reduction ( merA ) were phylogenetically associated with several bacterial and archaeal linages. We roughly estimated an additional 2,835 Mg mercury and 9 Mg methylmercury are stored in cold seep globally. In summary, we propose that cold seeps globally function as a previously unrecognized sink for mercury and source for methylmercury in the deep ocean.

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 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.