Evolutionäre Diversifizierung methanotropher ANME

Nature Microbiology Band 8, Seiten 231–245 (2023)Diesen Artikel zitieren

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„Candidatus Methanophagales“ (ANME-1) ist eine Gruppe von Archaeen auf Ordnungsebene, die für die anaerobe Methanoxidation in Tiefseesedimenten verantwortlich ist. Die Diversität, Ökologie und Evolution von ANME-1 sind nach wie vor kaum verstanden. In dieser Studie verwenden wir Metagenomik an hydrothermalen Proben aus der Tiefsee, um die ANME-1-Diversität zu erweitern und die Auswirkungen der Virus-Wirt-Dynamik aufzudecken. Phylogenetische Analysen offenbaren eine tiefverzweigte, thermophile Familie, „Candidatus Methanospirareceae“, die eng mit kurzkettigen Alkan-Oxidationsmitteln verwandt ist. Globale Phylogenie und nahezu vollständige Genome zeigen, dass der Wasserstoffstoffwechsel innerhalb von ANME-1 ein uraltes Merkmal ist, das vertikal vererbt wurde, aber im Laufe der Abstammungsdiversifizierung unterschiedlich verloren ging. Die Metagenomik deckte außerdem 16 bisher unbeschriebene Virusfamilien auf, die ausschließlich auf ANME-1-Archaeen abzielten und einzigartige strukturelle und replikative Signaturen zeigten. Das expansive ANME-1-Virom enthält ein metabolisches Genrepertoire, das die Ökologie und Evolution des Wirts durch virusvermittelte Genverdrängung beeinflussen kann. Unsere Ergebnisse deuten auf ein evolutionäres Kontinuum zwischen anaerobem Methan und kurzkettigen Alkan-Oxidatoren hin und unterstreichen die Auswirkungen von Viren auf die Dynamik und Entwicklung methangetriebener Ökosysteme.

Anaerobe methanotrophe Archaeen (ANME) sind eine polyphyletische Gruppe archaischer Abstammungslinien, die unabhängig voneinander die Fähigkeit zur anaeroben Oxidation von Methan (AOM) entwickelt haben, ein Prozess, der schätzungsweise mehr als 80 % des weltweit in Tiefseesedimenten produzierten Methans entfernt1 Umkehrung des Methanogenesewegs2. Während die ANME-2- und ANME-3-Linien gemeinsame Vorfahren mit den heutigen Methanogenen der Methanosarcinales-Ordnung haben, bilden ANME-1-Archaeen ihre eigene Ordnung „Candidatus Methanophagales“, die die Schwester der Nicht-Methan-Alkanabbauer „Candidatus Syntrophoarchaeales“ ist ' und 'Candidatus Alkanophagales'3. ANME-1 kann über die kalten und gemäßigten Tiefseelebensräume hinaus wachsen, die sie oft mit anderen ANMEs teilen, und gedeiht in einzigartiger Weise bei höheren Temperaturen in hydrothermalen Umgebungen2,4,5. In Meeressedimenten bilden ANMEs meist syntrophische Assoziationen mit sulfatreduzierenden Bakterien6 über direkten Elektronentransfer zwischen den Spezies7,8. Einige ANME-1 wurden jedoch als einzelne Zellen oder als monospezifische Konsortien ohne Partnerbakterien beobachtet5,9,10,11 und es wurde vorgeschlagen, dass sie eine hydrotrophe Methanogenese durchführen10,11,12, obwohl physiologische Experimente diese Hypothese bisher nicht stützen konnten13 ,14. Insgesamt bleibt weitgehend unklar, welche Faktoren zur physiologischen und ökologischen Diversifizierung von ANME-1 gegenüber ihren kurzkettigen Alkan-Verwandten und anderen ANME-Abstammungslinien beigetragen haben.

Trotz der Dominanz von ANME-Archaeen in vielen methanreichen Ökosystemen sind Viren, die auf ANME-Abstammungslinien abzielen, weitgehend unerforscht15,16,17. Durch die Ausbeutung und Freisetzung zellulärer Ressourcen des Wirts durch ihre Replikations- und Lysezyklen spielen Viren eine wichtige Rolle in der ökologischen Dynamik und dem Nährstoffkreislauf in verschiedenen mikrobiellen Systemen18. Schätzungen zufolge verursacht die virale Lyse in Tiefseeökosystemen eine jährliche Mortalität der Archaeen, die weltweit bis zu etwa 0,3–0,5 Gigatonnen Kohlenstoff freisetzt19. Die Charakterisierung der Verteilung und Funktion von ANME-Viren ist daher eine der wichtigsten Aufgaben, um die ANME-Physiologie quantitativ mit den Element- und Energieflüssen in methangetriebenen Tiefseeökosystemen zu verknüpfen und die Treiber der ANME-Evolution zu verstehen.

In dieser Studie haben wir 13 metagenomassemblierte Genome (MAGs) von ANME-1 in nativen und im Labor inkubierten Mineralproben aus dem hydrothermalen Entlüftungssystem des südlichen Pescadero-Beckens im Golf von Kalifornien, Mexiko, gewonnen (Ergänzungstabellen 1 und 2). Diese Proben erweiterten nicht nur die bekannte Diversität innerhalb der ANME-1a-Gruppe, insbesondere der ANME-1-G60-Gruppe, sondern enthielten auch fünf MAGs und ein zirkuläres Genomgerüst von 1,6 MB einer bisher nicht charakterisierten, tief verzweigten Gruppe, die phylogenetisch an der Basis der ANME-1a-Gruppe positioniert war ANME-1-Bestellung (Abb. 1, erweiterte Daten Abb. 1 und Ergänzungstabellen 2 und 3). Wir nennen diese Gruppe auf Familienebene „Candidatus Methanospirareceae“ oder ANME-1c. Aufgrund seiner basalen Position ist es das ANME-1, das den Schwesterordnungen der Nicht-Methan-Alkanabbauer Alkanophagales und Syntrophoarchaeales phylogenetisch am nächsten kommt21.

Fett gedruckt: Genome, die aus dem South Pescadero Basin entnommen wurden. Die Farbbalken zeigen von links nach rechts: Umgebung, Standort, vorhergesagte OGT (in °C) und einen genomischen Vergleich einiger Stoffwechselmerkmale (Haupttext und ergänzende Informationen). Zahlen nach den ANME-1c-Namen geben die beiden Arten von ANME-1c an und die Sterne nach den Namen bezeichnen MAGs, die mindestens die große Untereinheit einer NiFe-Hydrogenase enthalten. Schwarze Kreise zeigen Bootstrap-Unterstützungswerte über 80 % an. Der Maßstabsbalken stellt die Anzahl der Nukleotidsubstitutionen pro Stelle dar. CoM, Coenzym M.

Unsere ANME-1c MAGs repräsentieren zwei verschiedene Gattungen, „Candidatus Methanoxibalbensis“ und „Candidatus Methanospirare“, innerhalb derselben Familie mit einer durchschnittlichen Nukleotididentität von 76 %, repräsentiert durch die Arten „Candidatus Methanoxibalbensis ujae“ (Art 1) und „Candidatus Methanospirare jalkutatii“. (Art 2, Methoden). Basierend auf der Genomabdeckung waren diese beiden ANME-1-Arten die am häufigsten vorkommenden Organismen in den Gesteinsproben 12.019 und NA091.008, wohingegen sie in den Gesteinen 11.868 und 11.719 sowie in hydrothermalen Sedimenten kaum nachgewiesen wurden (Abb. 2a).

a, Relative Häufigkeit von MAGs aus ANME und anderen Bakterien und archaischen Abstammungslinien (links). Rechts ist die Genomhäufigkeit für Archaeen auf Artenebene zu sehen, die eine Variation der ANME-1-Linien in Gesteinen und Sedimenten hervorhebt (rechts). Der farbige Hintergrund weist auf Gesteinsproben (grau) oder Sedimentproben (braun) hin. Die Gesamthäufigkeit erreicht nicht 100 %, da nicht kartierte Lesevorgänge nicht berücksichtigt werden. Beachten Sie die unterschiedlichen Maßstäbe der Y-Achsen zwischen den Panels. b, Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung von ANME-1-Zellen, gewonnen aus der Gesteinsprobe NA091.008 (n = 2). Zellen, auf die die allgemeine ANME-1-350-Sonde abzielt, sind rot dargestellt (links). Zellen, auf die die allgemeine Bakteriensonde 338 abzielt, sind grün (Mitte). Eine zusammengesetzte Überlagerung, die Bakterien (grün), ANME-1-Zellen (rot) und die DAPI-Färbung aller mikrobiellen Zellen in Blau (rechts) zeigt. Maßstabsbalken, 5 µm.

Bisher wurden alle ANME-1c MAGs und 16S rRNA-Gensequenzen vom National Center for Biotechnology Information (NCBI; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/) und SILVA (https://www.arb-silva .de/)-Datenbanken stammen aus hydrothermalen Umgebungen, insbesondere den Sedimenten von Guaymas11,22 und südlichen Pescadero-Becken23. Diese hydrothermalen Lebensräume liegen 400 km voneinander entfernt entlang desselben Verwerfungssystems im Golf von Kalifornien und weisen in der mikrobiellen Gemeinschaft eine Überlappung von 20 % auf Artenebene auf23. Diese Verteilung lässt auf eine starke thermophile physiologische Spezialisierung von ANME-1c auf hydrothermale Umgebungen schließen. Tatsächlich deutete die genombasierte Vorhersage24 auf eine hohe theoretische optimale Wachstumstemperatur (OGT; Ergänzungstabelle 4 und erweiterte Daten Abb. 2) für beide ANME-1c-Arten (>70 °C) hin, die höher war als die durchschnittliche vorhergesagte OGT für beide ANME-1c-Arten. 1a (62 °C) und ANME-1b (52 °C). Eine solche Hochtemperaturanpassung durch ANME-1c könnte mit der verringerten geschätzten Genomgröße („Candidatus Methanoxibalbensis ujae“: 1,81 MB; „Candidatus Methanospirare jalkutatii“: 1,62 MB) zusammenhängen, wie sie bereits bei anderen thermophilen Bakterien und Archaeen beobachtet wurde25.

Mittels Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung mit einer ANME-1-zielgerichteten 16S-rRNA-Sonde konnten wir ANME-1-Zellen im Gestein NA091.008 nachweisen (Abb. 2b), wobei ANME-1c laut Genomabdeckung die dominierende Abstammungslinie waren (Abb. 2a). . Diese mutmaßlichen ANME-1c-Zellen weisen die typische zylindrische Form auf, die zuvor für andere ANME-1-Populationen beschrieben wurde6, und waren lose mit Bakterienzellen in einer Matrix aus extrazellulären Polymersubstanzen assoziiert oder wurden als einzelne Zellen gefunden.

Die tief verzweigte Position von ANME-1c veranlasste uns, die genomischen Muster der Entstehung und Differenzierung von ANME-1 von den Schwesterordnungen Alkanophagales und Syntrophoarchaeales zu untersuchen. Wie alle ANME-1 kodiert ANME-1c für einen vollständigen umgekehrten Methanogeneseweg, einschließlich eines einzelnen Operons für das Methyl-Coenzym-M-Reduktase-Enzym (MCR), das für die Aktivierung von Methan und den Ersatz der F420-abhängigen Methylen-H4MPT-Reduktase durch 5 verantwortlich ist ,10-Methylentetrahydrofolat-Reduktase, charakteristisch für ANME-12,8. Ähnlich wie andere ANME-Kladen kodiert ANME-1c mehrere Multihäm-Cytochrome, die wahrscheinlich die Übertragung von Elektronen während der syntrophischen AOM auf sulfatreduzierende Bakterien vermitteln2,7,8.

Bemerkenswerterweise weist ANME-1c im Vergleich zu ANME-1a und ANME-1b im Operon, das das MCR-Enzym kodiert, unterschiedliche Merkmale auf. Dieses Enzym besteht aus sechs Untereinheiten mit der Struktur α2β2ϒ2 und dem einzigartigen nickelhaltigen Cofaktor Coenzym F430 (Lit. 26). An der Reifung dieses Cofaktors sind McrC und McrD, zwei weitere Proteine, die vom MCR-Operon in Methanogenen kodiert werden, beteiligt27,28. Obwohl mcrD in ANME-1a und ANME-1b nicht vorhanden ist, sind beide Gene in ANME-1c vorhanden, wo mcrD mit mcrABG ein Operon bildet (Abb. 1). Frühere Analysen legten nahe, dass ANME-1 die mcr-Gene von entfernten H2-abhängigen methylotrophen Methanogenen der Klasse Methanofastidiosa2 erworben hat, wohingegen sie die divergenten MCRs verloren haben, die in Syntrophoarchaeales und Alkanophagales vorhanden sind, die offenbar größere Alkane verwenden. Ebenso stellten wir fest, dass die ANME-1c-McrD eng mit der McrD von Methanofastidiosa verwandt ist, jedoch nur entfernt mit der McrD von Syntrophoarchaeales und Alkanophagales, die einen anderen Cluster bilden (Extended Data, Abb. 3). Diese Ergebnisse legen nahe, dass während der Entstehung von ANME-1 ein vollständiges Operon des Methan-zyklischen mcr (einschließlich mcrCD) durch horizontalen Gentransfer von einem mit Methanofastidiosa verwandten methylotrophen Methanogen erworben wurde und mcrD später sowohl in ANME-1a als auch in ANME verloren ging -1b Kladen. Das ANME-1c weist außerdem mehrere zusätzliche genomische Merkmale auf, die sich unterscheiden, in Abb. 1 hervorgehoben und in den Zusatzinformationen und der Ergänzungstabelle 5 beschrieben werden.

Wasserstoff wurde als eines der ersten möglichen Zwischenprodukte bei der syntrophischen AOM vorgeschlagen, geriet jedoch in Ungnade, nachdem mehrere Genomstudien zeigten, dass die Mehrheit der ANME-Genome keine Hydrogenasen kodieren. Jüngste Studien haben jedoch über NiFe-Hydrogenasen in Unterklassen größerer ANME-Gruppen berichtet, einschließlich einer ANME-1b-Unterklasse „Candidatus Methanoalium“ und aus ausgewählten ANME-1a-Genomen (Abb. 1)2,29. Interessanterweise kodieren die Genome der Schwesterordnungen Syntrophoarchaeales und Alkanophagales für eine NiFe-Hydrogenase (Abb. 1), aber physiologische Experimente bestätigten keine Rolle dieser Hydrogenase bei der syntrophischen Alkanoxidation21. Unsere erweiterte phylogenomische Analyse von ANME-1 bestätigt, dass Genome, die mit drei verschiedenen Unterklassen von ANME-1a, ANME-1b und jetzt ANME-1c assoziiert sind, jeweils ein NiFe-Hydrogenase-Operon kodieren (Abb. 1). Die phylogenetische Analyse der großen Untereinheit dieser Hydrogenasen ergab eine monophyletische Gruppe von ANME-1-assoziierten Hydrogenasen, die sich mit denen von Syntrophoarchaeales und Alkanophagales gruppieren (Abb. 3a und Ergänzungstabelle 6). Daher scheint das Vorkommen von Hydrogenasen ein uraltes Merkmal der Klasse Syntrophoarchaeia zu sein, das vom gemeinsamen Vorfahren von ANME-1 vertikal vererbt wurde und später während der Diversifizierung der ANME-1-Klade differenziell verloren ging. Bemerkenswert ist, dass das Vorkommen von Hydrogenase selbst innerhalb der Hydrogenase-haltigen Kladen eine scheinbare Mosaikverteilung unter den MAGs aufweist. Beispielsweise kodieren innerhalb von ANME-1c nur zwei von fünf MAGs von „Candidatus Methanospirare jalkutatii“ (FW4382_bin126 und NA091.008_bin1) Hydrogenasen, wohingegen das vollständige „Candidatus Methanospirare jalkutatii“ MAG FWG175, zusammengesetzt in einem einzigen Gerüst, keine Hydrogenasen enthält ihnen. Um zu überprüfen, ob diese Verteilung eher auf die Variation innerhalb der Spezies als auf eine unvollständige Genomassemblierung zurückzuführen ist, führten wir unabhängige metagenomische Analysen durch, die das unterschiedliche Vorhandensein von Hydrogenasegenen in ANME-Stämmen verschiedener Gesteinsproben bestätigten (Abb. 3b, erweiterte Daten, Abb. 4 und ergänzende Informationen). ). Hydrogenasen scheinen daher Teil des pangenomischen Repertoires bestimmter ANME-1-Subklassen und -Arten zu sein und werden wahrscheinlich im ANME-1-Pangenom als Anpassung an die Umwelt und nicht als absolute Voraussetzung für den methanotrophen Kernstoffwechsel konserviert.

a, Phylogenetischer Baum der großen Untereinheit der NiFe-Hydrogenase, die in ANME-1-Genomen vorhanden ist (links) und der entsprechende phylogenetische Baum dieser Genome (rechts). Einige NiFe-Hydrogenasen von ANME-1-Genomen waren auch mit den NiFe-Gruppen 3 und 4 verbunden (nicht gezeigt, siehe erweiterte Daten, Abb. 5). Farbbalken/Hintergründe zeigen die phylogenetische Zugehörigkeit der interessierenden Hydrogenasen an. Schwarze Kreise zeigen Bootstrap-Unterstützungswerte über 70 % (links) und gleich 100 % (rechts) an. Maßstabsbalken stellen die Anzahl der Aminosäuresubstitutionen pro Stelle dar. b, Leseabdeckungsverteilung des Hydrogenase-Operons der ANME-1c-Genome FW4382_bin126 und NA091.008_bin1. Metagenomische Lesebibliotheken sind rechts angegeben. Der blaue Farbton zeigt an, wo sich das Hydrogenase-Operon innerhalb des entsprechenden Contigs befindet.

Die mögliche Rolle dieser Hydrogenasen bei ANME-1 ist noch unklar. Ihre phylogenetische Position neben hydrotrophen Enzymen30 der NiFe-Gruppen 1g und 1h (Abb. 3a; nur wenige gehören den NiFe-Gruppen 3 und 4 an, erweiterte Daten, Abb. 5) lassen auf eine mögliche Beteiligung an der hydrotrophen Methanogenese schließen, wie zuvor vorgeschlagen auf biochemischen31, umweltbedingten11,12, isotopischen10 und metagenomischen Daten29, obwohl Anreicherungskultivierungsversuche mit Wasserstoff erfolglos waren13,14. Kürzlich zeigte die Genomanalyse der Hydrogenase-kodierenden ANME-1b-Gruppe „Candidatus Methanoalium“ das Vorhandensein deutlicher Elektronenzyklusmerkmale (Rnf-Komplex, Cytochrom b) und das Fehlen von Multihäm-Cytochromen, was auf einen methanogenen Metabolismus für diese Gruppe schließen lässt2. Im Gegensatz dazu kodiert ANME-1c für Multihäm-Cytochrome und es fehlen diese Elektronenzyklusfunktionen. Daher kann der physiologische Nutzen von Hydrogenasen zwischen den Abstammungslinien variieren. Während Wasserstoff als einziges Zwischenprodukt für syntrophisches AOM wahrscheinlich nicht infrage kommt7,13, könnte er von ANME-1c als zusätzliches Zwischenprodukt produziert werden, wie in einem gemischten Modell mit direktem Elektronentransfer und Metabolitenaustausch2,32 vorgeschlagen.

Die in dieser Studie gewonnenen ANME-1-Genome enthielten verschiedene CRISPR-Cas-Loci (Extended Data Abb. 6a), was die Analyse von ANME-1-gehosteten mobilen genetischen Elementen (MGEs) durch CRISPR-Spacer-basierte Sequenzkartierung mit zusätzlichen strengen Filtern ermöglichte (siehe Methoden und ergänzende Informationen). Kartierung von 20.649 einzigartigen ANME-1-CRISPR-Spacern auf metagenomische Baugruppen aus dem südlichen Pescadero- und Guaymas-Becken (Ergänzungstabelle 7) und die vom Metagenom abgeleitete Virusdatenbank IMG/VR v.335 erfasste 76, 69 und 88 MGE-Contigs mit mehr als 10 kb. bzw. insgesamt 233 ANME-1-MGEs (Abb. 4a, erweiterte Daten Abb. 6b, Ergänzungstabellen 8 und 9 und Ergänzungsdaten 1 und 2). Bemerkenswerterweise stammten alle von IMG/VR abgeleiteten ANME-1-MGEs aus verschiedenen aus dem Guaymas-Becken stammenden Metagenomen. Wie bereits zuvor für das Archaeen-Mobilom von Asgard gefunden34, weist eine offensichtliche ortsübergreifende Spacer-Mobilom-Kartierung darauf hin, dass ein erheblicher Teil des ANME-1-Mobiloms zusammen mit ihren Wirten durch diese in Sedimenten beherbergten hydrothermalen Entlüftungsökosysteme im Golf von Kalifornien gewandert ist23 (Abb . 4a). Aufgrund der offensichtlichen Überlappung von CRISPR-Wiederholungen über verschiedene ANME-1-Linien hinweg wurden diese Spacer und damit die Wirt-MGE-Wechselwirkungen taxonomisch nicht weiter bestimmten ANME-1-Unterklassen zugeordnet. Alle in dieser Studie identifizierten MGEs unterscheiden sich von allen anderen bekannten Viren (Extended Data Abb. 7). Es wurde festgestellt, dass ein großer Teil dieser ANME-1-MGEs miteinander verbunden sind und ein großes komplexes Genähnlichkeitsnetzwerk mit 185 Knoten und ein mittelgroßes Netzwerk mit 28 Knoten bilden (Abb. 4b). Die verbleibenden 22 MGEs zerfielen in sieben kleine Gruppen von zwei bis drei Knoten und sieben Singletons.

a, Histogramme, die die Anzahl der CRISPR-Spacer aus den Metagenomen des South Pescadero- und Guaymas-Beckens zeigen, die mit den South Pescadero ANME-1 MGEs übereinstimmen. b: Gen-Sharing-Netzwerk verschiedener ANME-1-MGEs unterschiedlicher Herkunft. c, ANME-1 MGEs, die im selben Netzwerk wie b vorkommen, umfassen eine große Vielfalt archaeischer Viren und nicht-virale Elemente. Ausgefüllte oder leere Kreise zeigen Virusassemblierungen mit/ohne identifizierbaren MCPs an. In (b) und (c) umkreisen gestrichelte Linien fünf vorgeschlagene Virusfamilien, die vollständige Genomvertreter enthalten. Die vorgeschlagenen Namen der Virusfamilien (schwarz) und Ordnungen (lila) sind in (c) angegeben. d–f, Gensyntenie von drei vorgeschlagenen Familien schwanzloser ikosaedrischer Viren, die auf ANME-1 abzielen. Verschiedene Farben kennzeichnen 83 verschiedene Proteingruppen. Graue Schattierung kennzeichnet Singletons. Der Maßstabsbalken und die aktuelle Identitätsschattierung sind in (f) angegeben. g, von Alphafold2 vorhergesagte Strukturen von DJR-MCPs in ANME-1-Viren, gezeigt in (d) und (e). Blau steht für β-Fässer und rot für α-Helices. h: Die Maximum-Likelihood-Analyse der vorgeschlagenen MCP-Familien zeigt deren lange Entwicklungsdistanzen. i, Maximum-Likelihood-Analyse von PolB, das in verschiedenen Kladen der schwanzlosen Chaacviren, die auf ANME-1-Archaeen abzielen, gefunden wurde, steht im Zusammenhang mit zwei Kladen von spindelförmigen Wyrdviren, die auf Asgard-Archaeen abzielen. SJR, einzelne Biskuitrolle.

Basierend auf der Konservierung von Signaturgenen, die für virale Strukturproteine ​​kodieren, kamen wir zu dem Schluss, dass diese MGEs doppelsträngige DNA-Viren umfassen, die zu mindestens vier sehr unterschiedlichen Virusassemblagen gehören, die durch unterschiedliche Evolutionsgeschichten und unterschiedliche Virionmorphologien gekennzeichnet sind (Abb. 4c). Insbesondere Kopfschwanzviren der Klasse Caudoviricetes (Reich Duplodnaviria) kodieren für charakteristische HK97-fache MCPs und die große Untereinheit der Terminase- und Portalproteine36; schwanzlose ikosaedrische Viren des Bereichs Varidnaviria zeichnen sich durch Double Jelly Roll (DJR) MCPs36 aus; Viren des Reiches Adnaviria kodieren einzigartige α-helikale MCPs, die klauenartige Dimere bilden, die sich um die virale DNA wickeln und ein helikales, stäbchenförmiges Kapsid bilden37; und alle spindelförmigen Viren kodieren einzigartige, stark hydrophobe α-helikale MCPs (Ergänzungstabellen 9 und 10). Insgesamt wurden in dieser Studie 16 potenzielle Virusfamilien entdeckt, darunter fünf Familien mit repräsentativen vollständigen Genomen (Abb. 4c). Wir haben diese möglichen Virusfamilien nach Maya-Göttern benannt, da sie in den hydrothermalen Quellen des Golfs von Kalifornien vor der Küste Mexikos entdeckt wurden (siehe Methoden zur Etymologie der Namen der Virusfamilien).

Schwanzlose ikosaedrische Viren (Varidnaviria), die ANME-1 infizieren, werden von bekannten Viren unterschieden, wobei alle 32 Vertreter in dieser Studie einzigartig sind. Sie bilden drei getrennte Module und stellen basierend auf der Genähnlichkeitsanalyse drei nicht gemeldete Virusfamilien dar (Abb. 4c – f). Mitglieder der Huracanviridae-Gruppe kodieren einzelne Jelly-Roll-MCPs, die mit denen verwandt sind, die im Königreich Helvetiavirae konserviert sind, wohingegen Chaacviridae und Ixchelviridae innerhalb der Reihenfolge, die wir Coyopavirales nennen, vereint wurden und keine MCPs mit Sequenzhomologie zu anderen bekannten Viren kodieren. Die Strukturmodellierung der in „Chaacviridae“ und „Ixchelviridae“ konservierten MCP-Kandidaten mit AlphaFold238 und RoseTTAFold39 ergab jedoch eine eindeutige Ähnlichkeit mit den MCPs mit einer DJR-Faltung (Abb. 4g). Die phylogenetische Analyse ergab, dass diese DJR-MCPs drei sehr unterschiedliche Gruppen bilden, MCP-1–3 (Abb. 4g und h), wobei MCP-2 und MCP-3 ein zusätzliches kleines Beta-Fass enthalten, das voraussichtlich vom Kapsid nach außen zeigt Oberfläche und vermitteln wahrscheinlich Virus-Wirt-Interaktionen.

Chaacviren haben lineare dsDNA-Genome mit invertierten terminalen Wiederholungen und kodieren dementsprechend proteingeprimte DNA-Polymerasen der Familie B (pPolB). Chaacviren weisen eine bemerkenswerte Genomplastizität auf; Diese Viren kodieren nicht nur für zwei verschiedene Varianten der DJR-MCPs, MCP-1 und MCP-2, sondern ihre pPolBs gehören auch zu zwei sehr unterschiedlichen Kladen. Bemerkenswerterweise stimmen die beiden MCP- und pPolB-Varianten nicht genau überein, was auf mehrere Fälle von Rekombination und Genaustausch innerhalb der replikativen und morphogenetischen Module schließen lässt (Abb. 4d). Die Maximum-Likelihood-Analyse dieser divergenten Gruppen von pPolB-Sequenzen ergab eine Verwandtschaft mit zwei separaten Kladen von pPolBs, die von Wyrdviren kodiert werden, spindelförmigen Viren, die auf Asgard-Archaeen abzielen (Abb. 4i). Zusätzlich zu pPolB, stromaufwärts des MCP-Gens, kodieren alle Chaacviren ein funktionell nicht charakterisiertes Protein mit Homologen in Asgard-Archaeenviren der Huginnvirus-Gruppe, wo sie auch stromaufwärts der MCP-Gene kodiert sind41. Diese Beobachtung deutet auf eine bemerkenswerte evolutionäre Verflechtung zwischen diesen ANME-1- und Asgard-Archaeenviren hin, die möglicherweise eher durch die ökologische (d. h. Tiefsee-Ökosysteme) als durch die evolutionäre Nähe der jeweiligen Wirte erleichtert wird.

Die Kopf-Schwanz-Viren, die auf ANME-1 abzielen, kodieren den typischen morphogenetischen Werkzeugsatz, der allen Mitgliedern der Caudoviricetes gemeinsam ist, einschließlich des HK97-fachen MCP, des Portalproteins, der großen Untereinheit der Terminase und verschiedener Schwanzproteine42. Die MCP-Phylogenie weist auf eine gemeinsame Abstammung der Strukturkomponenten der Viren ANME-1 und Haloarchaea hin, die auf Phylumebene verwandt sind (Extended Data Abb. 8). Die globale proteombasierte Phylogenie43 zeigte jedoch eine klare Trennung zwischen ANME-1 und haloarchaealen Kopfschwanzviren (Abb. 5a). Dieses Ergebnis legt nahe, dass diese Viren zwar verwandte Kernproteine ​​für die Virionbildung kodieren, wie aus ihren verstreuten phylogenetischen MCP-Positionen hervorgeht (Extended Data Abb. 8), dass sich die Gesamtproteomgehalte von ANME-1- und haloarchaealen Viren jedoch erheblich unterscheiden, was wahrscheinlich auf die Anpassung zurückzuführen ist ihre jeweiligen Wirte und ökologischen Kontexte. Basierend auf den minimalen genetischen Abständen zwischen Halovirus-Familien und genomübergreifenden Vergleichen (Extended Data Abb. 9) schlagen wir neun mögliche Caudoviricetes-Familien vor. Viren in diesen Familien weisen nur geringe Proteomüberlappungen untereinander auf (Extended Data Abb. 9), was die enorme genetische Vielfalt der ANME-1-Viren mit Kopf und Schwanz weiter verdeutlicht.

a, Evolutionäre Trennung zwischen Kopfschwanzviren, die auf ANME-1 und Haloarchaea abzielen, wurde durch globale proteombasierte phylogenetische Analysen aufgedeckt. ANME-1-Viren mit vollständigem zirkulärem Genom sind lila hervorgehoben, solche mit unbestätigter Vollständigkeit blau. b,c, Genomorganisation und Geninhalt der vollständigen Genome, die zwei Familien der ANME-1-Kopfschwanzviren Ahpuchviridae (b) und Ekchuahviridae (c) repräsentieren. Blaue und violette Schattierungen stellen Vorwärts- bzw. Rückwärtsstränge dar. Die Gene MCP, PolB und ThyX sind rosa und rot hervorgehoben. d, Zirkuläre Ausrichtung der beiden Genome von Ekchuahviren. Schwarze Pfeilspitzen zeigen die ursprünglichen Contig-Start-/Endstellen in jeder Baugruppe an. e, Geninhalt des vollständigen linearen Genoms eines Vertreters der Stäbchenvirusfamilie Ahmunviridae. f, Gensyntenie von drei Familien spindelförmiger Viren, die auf ANME-1 abzielen, wobei vollständige, zirkularisierte Genome von Itzamnaviridae in zwei Genomgrößen gefunden wurden, wobei Vertreter des Demiitzamnavirus mit einem Abschnitt der größeren Pletoitzamnavirus-Genome übereinstimmen (oben dargestellt). Rechts). Verschiedene Farben kennzeichnen 76 verschiedene Proteingruppen. Graue Schattierung kennzeichnet Singletons. Der Maßstabsbalken und die prozentuale Identitätsschattierung werden unten rechts angezeigt. g, Geninhalt des vollständigen linearen Genoms eines Vertreters der spindelförmigen Virusfamilie Itzamnaviridae. Das gestrichelte rote Kästchen in (f) und (g) hebt ein Beispiel für eine Multigen-Cluster-Insertion hervor. In (d) und (f) bezeichnet der Strukturarm den Genomanteil, in dem sich alle viralen Strukturgene befinden; Der enzymatische Arm bezeichnet den Anteil, in dem es keine Strukturgene gibt und sich nur enzymkodierende Gene befinden.

Ekchuahviridae und Ahpuchviridae werden durch ANME-1-Viren mit vollständigen 70–80-kb-Genomen repräsentiert und bilden im Proteombaum Schwesterkladen außerhalb der drei Ordnungen der Haloviren und bilden eine unabhängige Ordnung, die wir Nakonvirales nennen (Abb. 5a). Die Ahpuchviren PBV299 (70,9 kb, vollständig, Abb. 5b) und IMGVR0573778 (74,8 kb, nahezu vollständig) kodieren jeweils eine Kopie von MCP, während die beiden Ekchuahviren GBV302 (80,6 kb, vollständig, Abb. 5c) und GBV301 (71,8 kb, nahezu vollständig) kodieren. vollständig)35,44 kodieren jeweils zwei MCP-Kopien. Dies ist einzigartig unter anderen bekannten Caudoviricetes, die auf Haloarchaea und ANME-1 abzielen. Wir können ein Assemblierungsartefakt ausschließen, da festgestellt wurde, dass die anfänglichen Assemblierungen der beiden Ekchuahviren eine kreisförmige Ausrichtung zueinander aufwiesen (Abb. 5d). Beide MCP-Gene werden von verwandten Protease-Genen für die Kapsidreifung begleitet, wohingegen alle anderen morphogenetischen Virion-Proteine ​​als Einzelkopie-Gene kodiert sind (Abb. 5c). MCP-1 ist wahrscheinlich von Vorfahren her konserviert, wohingegen MCP-2 offenbar horizontal von Haloferuviren übertragen wird. Ihre große phylogenetische Distanz lässt auf eine lange Koexistenz und Koevolution bei Ekchuahviren schließen.

Die Koexistenz zweier divergenter MCP-Gene findet sich auch bei Mitgliedern mutmaßlicher stäbchenförmiger Viren innerhalb der Familie „Ahmunviridae“, die wir in die Klasse Tokiviricetes (Reich Adnaviria)37 innerhalb einer monotypischen Ordnung „Maximonvirales“ einbeziehen möchten (Abb. 5e). und Viren mit vorhergesagter spindelförmiger Morphologie, die „Itzamnaviridae“ (Abb. 5f – g). Diese beiden bisher unbeschriebenen Virusklassen werden durch vollständige lineare Genome mit invertierten terminalen Wiederholungen bzw. zirkulären Genomen repräsentiert. Dies steht im Gegensatz zu einem anderen spindelförmigen ANME-1-Virus, dem Tepeuvirus PBV144, das das größte Genom (72,6 kb, noch nicht zirkularisiert) aber nur ein MCP aufweist. Die Koexistenz divergenter MCPs ist bei Caudoviricetes ungewöhnlich, wurde jedoch bereits für den kopfschwanzigen T4-Phagen dokumentiert, dessen MCPs jeweils hexamere und pentamere Kapsomere bilden, wobei letztere die fünffachen ikosaedrischen Eckpunkte besetzen . Stäbchenförmige Dual-MCP-Viren bilden entweder ein funktionelles MCP-Heterodimer37,46 oder verwenden nur eine Kopie für die Virionbildung47. Es ist daher noch unklar, wie koexistierende MCP-Gene zur Kapsidarchitektur von ANME-1-Viren beitragen.

Die großen Genome der kopfschwanzigen und spindelförmigen Viren von ANME-1 weisen eine starke Häufung funktionell verwandter Gene auf: Eine Hälfte des viralen Genoms enthält alle Strukturgene, während die andere Hälfte verschiedene Enzyme kodiert, die an der DNA-Synthese und -Modifikation beteiligt sind Stoffwechsel- und Abwehrfunktionen (Abb. 5b–d,f,g). Bemerkenswert ist, dass das gesamte etwa 20 kb große Replikations- und Stoffwechselmodul im zirkulären Genom von Demiitzamnaviren fehlt. Genomübergreifende Alignments ergaben eine größere Variation im Gengehalt für die enzymatischen Arme sowohl bei Viren mit Kopfschwanz als auch bei spindelförmigen Viren, häufig in Form von Multigen-Cluster-Insertionen (Abb. 5f und erweiterte Daten, Abb. 9). Ekchuahviridae und Ahpuchviridae mit Kopfschwanz sowie spindelförmige Pletoitzamnaviren und Tepeuviridae kodieren RNA-primierte DNA-Polymerasen der Familie B, die üblicherweise von dsDNA-Viren mit größeren Genomen kodiert werden. Die strukturell-enzymatische Armspaltung ähnelt somit den Kern- und Pangenomen von Mikroben und ermöglicht vielseitige Interaktionen zwischen diesen Viren und ihren ANME-1-Wirten (Ergänzungstabelle 10). Kopfschwanz- und spindelförmige Viren enthalten beispielsweise zusätzliche Stoffwechselgene, die am Nukleotid- und Aminosäurestoffwechsel (NrdD, QueCDEF und Asparaginsynthase), am Kohlenstoffanabolismus (PEPCK und GntT) sowie am Phosphat- und Schwefelanabolismus (PhoU und PAPS) beteiligt sind (siehe Ergänzende Tabelle 11 und ergänzende Informationen).

Unsere Analyse der viralen Hilfsstoffwechselgene legte auch die Beteiligung von Viren an der angestammten Stoffwechseldiversifizierung von ANME-1 nahe. Insbesondere der Nachweis von Genen, die für ThyX49 kodieren, das die Methylierung von dUMP zu dTMP katalysiert und wahrscheinlich die Thymidinsynthese des Wirts während der Virusproduktion steigert, in kopfschwanzigen Ahpuchviren und Ekchuahviren sowie in spindelförmigen Pletoitzamnaviren (Abb. 5b, f). Dies fällt mit dem Vorhandensein von thyX im ANME-1-Wirt zusammen, der im Gegensatz zu anderen ANME-Linien und kurzkettigen Alkan-oxidierenden Archaeen nicht für das nicht-homologe Thymidylat-Synthase-Gen thyA2 kodiert (Abb. 1). Die dichotomische Verteilung der funktionellen Analoga thyA/thyX ist bei Mikroben weit verbreitet und insbesondere bei Itzamnaviren können thyX und thyA in verschiedenen Mitgliedern vorkommen (Abb. 5f, g). Die phylogenetische Analyse des ThyX zeigt, dass es von ANME-1 kodiert wurde und dass ihre Viren eine eigene Klade bilden, die sich von denen unterscheidet, die von Bakterien, Archaeen und anderen Caudoviriceten kodiert werden (Abb. 6 und erweiterte Daten Abb. 10a, b). Bemerkenswerterweise bilden die von Itzamnaviren codierten ThyX eine gut unterstützte monophyletische Gruppe an der Basis dieser divergenten Gruppe, und die tief verzweigten ANME-1c codieren ThyX, die zum zweittiefsten Zweig gehören. Bemerkenswert ist, dass der ANME-1c-Behälter des Guaymas-Beckens (B22_G9) sowohl ein genomisches thyX als auch thyX enthält, das von einem partiellen, vom Itzamnavirus abgeleiteten Contig kodiert wird (Abb. 6 und erweiterte Daten, Abb. 10). Ekchuahviren und Ahpuchviren haben thyX wahrscheinlich zu einem späteren Zeitpunkt unabhängig voneinander erworben.

Maximum-Likelihood-Analyse von ThyX im Zusammenhang mit ANME-1-kodierten ThyX-Proteinen, mit erweiterten Ansichten von ThyX aus ANME-1-Viren auf der rechten Seite. Legenden für die Zweigfarben für ThyX aus ANME-1-Viren und ANME-1-Genomen sind unterhalb des phylogenetischen Hauptbaums angegeben.

Die obigen Analysen legen nahe, dass thyX zuerst von spindelförmigen ANME-1-Viren erworben und dann auf die gemeinsamen Vorfahren von ANME-1 übertragen wurde, wodurch thyA verdrängt wurde. Aufgrund der höheren Promiskuität viraler DNA-Polymerasen und des intensiven Wettrüstens ist bekannt, dass sich virale Gene schnell entwickeln50, was mit der extremen Divergenz des ANME-1/viralen thyX von der kanonischen Gruppe übereinstimmt.

In dieser Studie führte die metagenomische Charakterisierung einer kürzlich entdeckten hydrothermalen Entlüftungsumgebung im südlichen Pescadero-Becken zur Erweiterung der bekannten ANME-1-Diversität um ANME-1c und ihre Viren. ANME-1c ist eine tief verzweigte Familie, die bisher nur in hydrothermalen Hochtemperaturumgebungen nachgewiesen wurde. Die vergleichende Genomik weist auf ein evolutionäres Kontinuum innerhalb der Klasse Syntrophoarchaeia hin, da ANME-1c verschiedene Merkmale der Vorfahren beibehielt, die auch in Syntrophoarchaeales und Alkanophagales zu finden sind, einschließlich Hydrogenasen. Die Phylogenie dieser Hydrogenasen stimmt mit der Phylogenie des Genoms überein, was auf eine offensichtliche vertikale Vererbung und einen unterschiedlichen Verlust dieser Gene in ANME-1 hinweist, was darauf hindeutet, dass diese Hydrogenasen eine nichtobligatorische physiologische Rolle spielen, aber möglicherweise einen langjährigen selektiven Vorteil mit sich bringen.

Unsere Studie deckte auch eine mutmaßliche virale Quelle des ANME-1-spezifischen Thymidylat-Synthase-Gens thyX auf, das das funktionelle Analogon thyA-Gen ersetzte. ThyX unterscheidet sich von ThyA durch die Verwendung von NADPH als Elektronendonor bei der Übertragung der Methylgruppe vom C1-Zwischenprodukt H4MPT = CH2 auf dUMP, um dTMP zu ergeben, ohne die H4MPT-Einheit2 zu oxidieren. H4MPT ist ein zentraler Cofaktor, der ständig über den Wood-Ljungdahl-Weg recycelt wird und den ANME-1-Anabolismus antreibt2; Die NADPH-Häufigkeit hängt stark von der Art des Energiestoffwechsels und Redoxzustands des Wirts ab51. Der virusinduzierte Übergang von ThyA zu ThyX könnte eine Rolle bei der metabolischen Diversifizierung und der anschließenden ökologischen Expansion der ANME-1-Vorfahren gespielt haben. Der C1-Anabolismus scheint zwischen den ANME-Linien stärker zu divergieren als der C1-Energiestoffwechsel2, der möglicherweise auch von Viren und anderen MGEs herrührt.

Das in dieser Studie entdeckte expansive Virom von ANME-1 ist von allen bekannten Viren weit entfernt und bildet 16 bisher unbeschriebene Familien und mindestens drei nicht gemeldete Ordnungen. Sie zeichnen sich durch viele einzigartige strukturelle und replikative Merkmale aus, die unser Verständnis der Vielfalt der Archaeenviren und ihrer ökologischen Bedeutung erheblich erweitern. Diese Ergebnisse öffnen die Tür für eine gezielte kulturabhängige und kulturunabhängige Erforschung der ANME-Virus-Wirt-Interaktionen, von denen erwartet wird, dass sie eine entscheidende Rolle im biogeochemischen Kreislauf19 in diesen produktiven methangetriebenen Ökosystemen spielen19.

Während dieser Artikel überprüft wurde, wurde ein Artikel veröffentlicht, der die Anreicherung eines Stammes von „Candidatus Methanoxibalbensis ujae“ unter thermophilen methanotrophen Bedingungen beschreibt52.

Vier Gesteinsproben wurden aus dem 3,7 km tiefen Auka-Schlotfeld im südlichen Pescadero-Becken (23,956094 N, 108,86192 W)20,23 entnommen. Die Probe NA091.008 wurde 2017 auf der Kreuzfahrt NA091 mit dem Eexploration-Schiff Nautilus gesammelt und wie zuvor beschrieben inkubiert34. Die Proben 12.019 (S0200-R1), 11.719 (S0193-R2) und 11.868 (S0197-PC1), wobei letzteres einen aus einem Sedimentschubkern geborgenen versteinerten Knoten darstellt, wurden mit dem ferngesteuerten Fahrzeug SuBastian und dem Forschungsschiff Falkor auf der Kreuzfahrt FK181031 in gesammelt November 2018. Diese Proben wurden an Bord verarbeitet und unter anoxischen Bedingungen bei 4 °C für die anschließende Inkubation im Labor gelagert. Im Labor wurden die Gesteinsproben 12.019 und 11.719 unter sterilen Bedingungen in kleinere Stücke zerbrochen, in mit N2 gesprudeltes, sterilisiertes künstliches Meerwasser getaucht und unter anoxischen Bedingungen mit Methan inkubiert, wie zuvor für NA091.008 beschrieben (Ref. 34). Weitere Informationen zur Probenahme finden Sie in der Ergänzungstabelle 1. Die mineralogische Analyse mittels Röntgenpulverbeugung (XRD) identifizierte Baryt in mehreren dieser Proben, die an zwei Standorten im Auka-Schlotfeld gesammelt wurden, darunter auf der Westseite des Matterhorn-Schlots ( 11.719, NA091.008) und eine ölgesättigte Probe (12.019), die aus den sedimentierten Flanken der Südseite des Schlots Z gewonnen wurde. Unsere Analyse umfasst auch metagenomische Daten von zwei Sedimentkernen aus dem Auka-Entlüftungsfeld (DR750-PC67 und DR750-PC80), die im April 2015 mit dem ROV Doc Ricketts und dem R/V Western Flyer (MBARI2015) gesammelt und zuvor veröffentlicht wurden (Ref. 23). .

Die Proben wurden an Bord mit frisch zubereitetem Paraformaldehyd (2 Vol.-% in 3 × Phosphatpufferlösung (PBS), EMS15713) bei 4 °C über Nacht fixiert, zweimal mit 3 × PBS gespült und in Ethanol (50 % in 1 × PBS) gelagert −20 °C bis zur Verarbeitung. Kleine Stücke (<1 cm3) der Mineralprobe NA091.008 wurden vorsichtig in einem sterilen Achatmörser und Pistill in einer frisch zubereiteten, filtersterilisierten 80 % Ethanol – 1× PBS-Lösung zerkleinert. Etwa 500 μl der resultierenden Mischung wurden dreimal in 15-Sekunden-Stößen auf einem Ultraschall-Zellaufschlussgerät Branson Sonifier W-150 (Stufe 3) auf Eis beschallt, wobei eine sterile, konisch zulaufende Mikrospitzensonde in die Flüssigkeit eingeführt wurde. Die Zellen wurden mithilfe eines angepassten Protokolls zur Dichtetrennung unter Verwendung von Percoll (Sigma P4937)7 von der Mineralmatrix getrennt. Die nach Dichte getrennten Zellen wurden auf 25-mm-Polycarbonatfiltern mit einer Porengröße von 0,22 μm (Millipore GTTP2500) filtriert und mit 1 × PBS gespült. Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungen wurden wie zuvor beschrieben7 unter Verwendung einer 1:1-Mischung einer auf ANME-1 gerichteten Sonde (ANME-1-3509, markiert mit Cy3) und der allgemeinen Bakteriensondenmischung EUB338 I-III (https://probebase) durchgeführt. csb.univie.ac.at/), markiert mit Alexa-488 in einer 35%igen Formamidlösung (VWR EM-FX0420-8). Hybridisierte Proben wurden mit einem ×100-Objektiv unter Verwendung eines Zeiss Elyra-Mikroskops mit strukturierter Beleuchtung und der Zen Black-Software abgebildet.

Die DNA-Extraktion aus den Mineralproben folgte zuvor veröffentlichten Protokollen34. Die metagenomische Analyse der extrahierten genomischen DNA wurde zur Bibliotheksvorbereitung und Sequenzierung an Quick Biology (Pasadena, CA) ausgelagert. Bibliotheken wurden mit dem KAPA Hyper Plus-Kit unter Verwendung von 10 ng DNA als Input erstellt. Dieser Input wurde 10 Minuten lang einer enzymatischen Fragmentierung bei 37 °C unterzogen. Nach der Endreparatur und dem A-Tailing wurde die DNA mit einem IDT-Adapter (Integrated DNA Technologies Inc.) ligiert. Ligierte DNA wurde mit KAPA HiFi HotStart ReadyMix (2×) über 11 Zyklen amplifiziert. Die Reinigung nach der Amplifikation wurde mit 1× KAPA-Reinperlen durchgeführt. Die endgültige Qualität und Quantität der Bibliothek wurde mit dem Agilent Bioanalyzer 2100 (Agilent Technologies) bzw. dem Life Technologies Qubit 3.0 Fluorometer (Life Technologies) analysiert und gemessen. Schließlich wurden die Bibliotheken mithilfe von 150-bp-Paired-End-Reads auf dem Illumina HiSeq4000 Sequencer (Illumina Inc.) sequenziert. Nach der Sequenzierung wurden Primer und Adapter aus allen Bibliotheken entfernt, indem bbduk (https://sourceforge.net/projects/bbmap/) mit mink = 6 und hdist = 1 als Trimmparameter verwendet wurde und ein Mindestqualitätswert von 20 und ein Minimum festgelegt wurden Länge von 50 bp. Für die Nanoporensequenzierung inkubierter Proben wurde die DNA vor der Bibliotheksvorbereitung mithilfe der Mehrfachverdrängungsamplifikation mit dem QIAGEN REPLI-g Midi-Kit amplifiziert. Oxford Nanopore-Sequenzierungsbibliotheken wurden mit dem PCR-freien Barcode-Kit erstellt und auf der PromethION-Plattform von Novogene Inc. sequenziert.

Die Sequenzierungsablesungen von nicht inkubierten Gesteinen wurden einzeln und in einer Coassembly mit SPAdes v.3.12.0 (Lit. 53) zusammengestellt. Von den De-novo-Assemblys aus führten wir manuelles Binning mit Anvio v.6 durch (Ref. 54). Wir haben die Qualität und Taxonomiezugehörigkeit der erhaltenen Bins mithilfe von GTDB-tk v.1.5.0 (Ref. 55) und checkM v.1.13 (Ref. 56) bewertet. Mit ANME-1 und Syntrophoarchaeales verbundene Genome wurden über eine gezielte Reassemblierungspipeline weiter verfeinert. In dieser Pipeline wurden die ursprünglichen Lesevorgänge mithilfe von bbmap (https://sourceforge.net/projects/bbmap/) dem interessierenden Bin zugeordnet. Anschließend wurden die zugeordneten Lesevorgänge mithilfe von SPAdes zusammengestellt und die resultierende Zusammenstellung gefiltert, wobei Contigs unter 1.500 bp verworfen wurden . Dieser Vorgang wurde für jeden Behälter über mehrere Durchgänge (zwischen 11 und 50) wiederholt, bis wir keine Verbesserung der Behälterqualität feststellen konnten. Die Behälterqualität wurde mithilfe des checkM unter Berücksichtigung der Vollständigkeit, der Kontamination (<5 %), des N50-Werts und der Anzahl der Gerüste bewertet. Die resultierenden Behälter wurden als MAGs betrachtet. Die Sequenzierungsablesungen für die inkubierten Gesteine ​​12.019 und 11.719 wurden wie zuvor für NA091.R00834 beschrieben zusammengestellt. Darüber hinaus wurde die Anordnung von 12.019 mithilfe von Nanopore-Lesevorgängen durch zwei Iterationen von LRScaf v.1.1.10 (Lit. 57) gegerüstet. Die endgültigen Baugruppen wurden mit Metabat2 v.2.15 (Ref. 58) unter Verwendung der Standardeinstellung eingeteilt. Die automatische Stoffwechselvorhersage der MAGs wurde mit Prokka v.1.14.6 (Lit. 59) durchgeführt und mit der Identifizierung von PFAM- und TIGRFAM-Profilen mit HMMER v.3.3 (hmmer.org), KEGG-Orthologen mit Kofamscan60 sowie von COGs und arCOGs kuratiert Motive61. Um Multihäm-Cytochrome in unseren Genomen zu identifizieren, haben wir das Motiv CXXCH in den für jedes MAG vorhergesagten Aminosäuresequenzen durchsucht. Ähnliche Stoffwechselvorhersagen wurden mit öffentlich verfügbaren ANME-1- und Syntrophoarchaeales-Genomen durchgeführt, um das Stoffwechselpotenzial der gesamten ANME-1-Ordnung zu vergleichen. Eine Liste der in dieser Studie verwendeten Genome finden Sie in der Ergänzungstabelle 2. Für den Vergleich verschiedener genomischer Merkmale zwischen den ANME-1-Genomen haben wir anhand der zugewiesenen COGs, arCOGs und KEGG-Identifikatoren nach spezifischen Proteinen gesucht (Ergänzungstabelle 5). .

Wir haben die Software coverM v.0.5 (https://github.com/wwood/CoverM) verwendet, um die genomische relative Häufigkeit der verschiedenen Organismen unserer Proben zu berechnen, wobei wir alle MAGs verwendet haben, die wir aus unserer metagenomischen Analyse extrahiert haben. Wir haben die Software mit den folgenden zusätzlichen Parametern für die Dereplikation ausgeführt („–dereplication-ani 95–dereplication-prethreshold-ani 90–dereplication-precluster-method finch“). Die Ergebnisse wurden in R v.4.2.1 visualisiert.

Wir haben die OGT für alle in unserer Analyse enthaltenen ANME-1- und Syntrophoarchaeales-MAGs (Ergänzungstabelle 2) mithilfe des in Sauer und Wang24 beschriebenen OGT_prediction-Tools mit den Regressionsmodellen für Archaea ohne rRNA-Merkmale und Genomgröße berechnet.

Da nur zwei der fünf Genome von „Candidatus Methanospirare jalkutatii“ über ein Operon verfügen, das für eine Hydrogenase kodiert, haben wir zusätzliche Analysen durchgeführt, um diese Verteilung innerhalb der Spezies besser zu verstehen. Einerseits haben wir die metagenomischen Lesevorgänge aus Proben mit Genomen von „Candidatus Methanospirare jalkutatii“ (12019, FW4382_bin126, NA091.008, PR1007, PR1031B) den MAGs zugeordnet, die das Hydrogenase-Operon (FW4382_bin126, NA091.008_bin1) enthalten, um zu überprüfen, ob Reads, die dieses Operon kartieren, sind auch in Proben vorhanden, aus denen die MAGs ohne Hydrogenase gewonnen wurden. Zum Zuordnen der Lesevorgänge verwendeten wir Bowtie2 v.2.4.2 (Ref. 62), wandelten dann die SAM-Dateien mithilfe von Samtools (http://www.htslib.org/) in BAM um und extrahierten die Abdeckungstiefe für jede Position. Zusätzlich führten wir einen genomischen Vergleich der Genome mit einem Hydrogenase-Operon (FW4382_bin126, NA091.008_bin1) mit dem Genom FWG175 durch, das zu einem einzelnen Gerüst zusammengesetzt wurde. Hierzu verwendeten wir den Genom-zu-Genom-Aligner Sibelia v.3.0.7 (Ref. 63) und visualisierten die Ergebnisse mit Circos (http://circos.ca/).

Für den phylogenomischen Baum der ANME-1-MAGs haben wir die Liste der in der Ergänzungstabelle 2 enthaltenen Genome verwendet. Als Markergene verwendeten wir 31 Einzelkopie-Gene (Ergänzungstabelle 5), die wir mithilfe von Anvi aus den entsprechenden Genomen extrahiert und ausgerichtet haben. get-sequences-for-hmm-hits von Anvio v.6 (Ref. 54) mit den Parametern „–return-best-hit–max-num-genes-missing-from-bin 7–partition-file“. Sieben Genomen fehlten mehr als sieben Markergene und sie wurden nicht für die in Abb. 1 dargestellte phylogenomische Rekonstruktion verwendet (ANME-1 UWMA-0191, Syntrophoarchaeum GoM_oil, ANME-1 ERB7, ANME-1 Co_bin174, ANME-1 Agg-C03, PB_MBMC_218). , FW4382_bin035). Der verkettete ausgerichtete Marker-Gensatz wurde dann verwendet, um einen phylogenomischen Baum mit RAxML v.8.2.12 (Ref. 64) zu berechnen, wobei eine Partitionsdatei verwendet wurde, um Differentialmodelle für jedes Gen zu berechnen, und zwar mit den folgenden Parametern: '-m PROTGAMMAAUTO -fa -N autoMRE - k.' Der Baum wurde dann mit iTol65 visualisiert. Für die Gruppierung der MAGs in verschiedene Arten haben wir die ANME-1-MAGs mithilfe von dRep v.2.6.2 mit dem Parameter „-S_ani 0.95“ (Lit. 66) derepliziert. Ein kleinerer phylogenomischer Baum wurde mit den Genomen berechnet, die Hydrogenase-Gene enthielten (Abb. 3). Für diesen Baum haben wir auch Anvio v.6 und RAxML v.8.2.12 mit denselben Parametern verwendet, jedoch ohne das Flag „—max-num-genes-missing-from-bin“ aus anvi-get-sequences-for-hmm -hits-Befehl, um diejenigen Genome mit einer geringeren Anzahl an Markergenen, die noch Hydrogenase-Gene enthalten, in die Analyse einzubeziehen (PB_MBMC_218, FW4382_bin035, ANME-1 UWMA-0191).

Der phylogenetische Baum des 16S-rRNA-Gens wurde für die aus unserem Genomdatensatz vorhergesagten 16S-rRNA-Gene voller Länge berechnet. Wir haben diese 16S-rRNA-Gene voller Länge in die Datenbank SILVA_132_SSURef_NR9967 aufgenommen und mit ARB v.6.1 (Ref. 68) einen 16S-phylogenetischen Baum unter Verwendung des Maximum-Likelihood-Algorithmus RAxML mit GTRGAMMA als Modell und einem 50 %-Ähnlichkeitsfilter berechnet. Insgesamt wurden 1.000 Bootstrap-Analysen durchgeführt, um die Branch-Support-Werte zu berechnen. Der Baum mit der höchsten Wahrscheinlichkeitsbewertung wurde ausgewählt.

Für die Konstruktion des phylogenetischen Baums der Hydrogenase (Ergänzungstabelle 6) verwendeten wir die vorhergesagte Proteinsequenz für die große Untereinheit der NiFe-Hydrogenase, die in den Genomen unseres Datensatzes (Ergänzungstabelle 2) vorhanden ist, einer Untergruppe der Hydrogenasen der großen Untereinheit, die in vorhanden sind die HydDB-Datenbank30 und die vorhergesagten Hydrogenasen, die in einer archaischen Datenbank vorhanden sind, unter Verwendung des COG-Motivs für die große NiFe-Hydrogenase (COG0374) mit der Anvio v.6-Software. Für die Phylogenie des mcrD-Gens verwendeten wir die vorhergesagten Proteinsequenzen von mcrD in den ANME-1c-Genomen und in der zuvor erwähnten Archaeendatenbank mit dem TIGR-Motiv TIGR03260.1 unter Verwendung der Software Anvio v.6. Die Liste der in der Analyse verwendeten Genome aus der Archaeal-Datenbank finden Sie in der Ergänzungstabelle 6. Für beide Phylogenien wurden die Proteinsequenzen für die Analyse unter Verwendung von Clustalw v.2.1 mit Standardeinstellungen abgeglichen69. Die ausgerichtete Datei wurde verwendet, um einen phylogenetischen Baum unter Verwendung von RAxML v.8.2.12 (Ref. 64) mit den folgenden Parametern zu berechnen: „-m PROTGAMMAAUTO -fa -N 100 –k“. Der Baum wurde dann mit iTol65 visualisiert.

Für die Verteilung und phylogenetische Analyse von MCP und pPolB wurden bekannte Sequenzen, die von verschiedenen Bakterien- und Archaeenviren kodiert werden, verwendet, um über hmmer v.3.3.2 ein Hidden-Markov-Modell (HMM) zu erstellen. Das HMM wurde dann verwendet, um die entsprechenden Komponenten in Proteomen von ANME-1-Viren und anderen MGEs einzufangen. Alle Sequenzen wurden dann mit MAFFT v.7.475 (Ref. 70) Option linsi ausgerichtet und mit trimAl v1.4.1 (Ref. 71) Option Gappyout für pPolB und der Option 20 % Gap Removal für MCP getrimmt. Maximum-Likelihood-Analysen wurden mit IQtree v.2.1.12 (Ref. 72) unter Verwendung von Model Finder und ultraschnellem Bootstrap mit 2.000 Replikaten durchgeführt. Der phylogenetische Baum wurde mit iTol65 visualisiert und vorbereitet.

Für die Verteilung und phylogenetische Analyse von ThyX wurden alle mit EggNOG-Mapper73 v.2 annotierten ThyX-Sequenzen in den Genomen von ANME-1 und ihren MGEs verwendet, um wie oben beschrieben ein HMM zu erstellen und für die Suche nach nahen Homologen in der GTDB202-Datenbank zu verwenden , IMGVR V.3-Datenbank und erneut in den Proteomen und ANME-1 und ihren MGEs in dieser Studie. Dies ergab 261 Sequenzen, die dann wie für pPolB abgeglichen und phylogenetisch analysiert wurden.

Die CRISPR-Cas-Systeme aus den ANME-1-Genomen und verschiedenen metagenomischen Baugruppen wurden mit CRISPRCasTyper v.1 (Lit. 33) annotiert. Die CRISPR-Spacer-Kartierung auf MGEs wurde wie zuvor beschrieben34 mit den folgenden Modifikationen durchgeführt. Um unzuverlässige Sequenzen herauszufiltern, die möglicherweise während des MAG-Binning entstanden sind, haben wir eine konservative Maßnahme ergriffen und nur CRISPR-Wiederholungen beibehalten, die in mindestens drei ANME-1-Contigs identifiziert wurden. Wir analysierten zusätzlich die CRISPR-Wiederholungen, die in der Alkanophagales-Schwestergruppe von ANME-1 gefunden wurden, mit dem gleichen Ansatz und stellten fest, dass sie keine Überlappung mit den ANME-1-CRISPR-Wiederholungen aufwiesen. Um eine versehentliche Zuordnung zu nicht verwandten MGEs zu vermeiden, haben wir ein zweites strenges Kriterium angewendet, bei dem nur MGEs mit mindestens drei ANME-1-Protospacern beibehalten wurden. MGEs mit mehr als 10 kb wurden für weitere Analysen in dieser Studie aufbewahrt.

Offene Leserahmen in allen CRISPR-kartierten MGE-Contigs wurden mithilfe des PATRIC-Pakets74 identifiziert. Genähnlichkeitsnetzwerkanalysen wurden mit vCONTACT v.2.0 (Ref. 75) unter Verwendung der Standardreferenz (RefSeq202) durchgeführt, wobei Kopfschwanzviren, die auf Haloarchaea und Methanogene abzielen, als zusätzliche Referenzen hinzugefügt wurden42. Invertierte und direkte Terminalwiederholungen wurden mit CheckV v.1.01 erkannt. und das PATRIC-Paket zur Bestimmung der Genomvollständigkeit. Das Clustering-Konfidenzniveau wurde mit der in Lit. beschriebenen Standardeinstellung ermittelt. 75, wobei der P-Wert über einen einseitigen Mann-Whitney-U-Test ermittelt wurde und die Topologiekonfidenz durch Multiplikation des Qualitätsfaktors des Subclusters mit dem P-Wert ermittelt wird.

MGE-Proteome werden mithilfe sensibler HMM-Profil-Profil-Vergleiche mit HHsearch v.3.3.2 (Ref. 76) mit den folgenden öffentlich zugänglichen Datenbanken annotiert: Pfam 33.1, Protein Data Bank (25. März 2021), CDD v.3.18, PHROG und uniprot_sprot_vir70 (9. Februar 2021)77. Mutmaßliche MCP von Chaacviridae und Ixchelviridae konnten mithilfe von auf Sequenzähnlichkeit basierenden Ansätzen nicht identifiziert werden. Daher wurden die Kandidatenproteine ​​einer Strukturmodellierung mit AlphaFold2 (Ref. 38) und RoseTTAFold v.1.1.0 (Ref. 39) unterzogen. Die erhaltenen Modelle wurden mit ChimeraX78 visualisiert und mit der Referenzstruktur des MCP des Corticovirus PM2 (PDB-ID: 2vvf) verglichen. Die Contigs, die identifizierbare virale Strukturproteine ​​enthalten, werden als Viren bezeichnet. Die verbleibenden Contigs werden als nicht klassifizierte MGEs beschrieben, einschließlich kreisförmiger Elemente, bei denen es sich höchstwahrscheinlich um Plasmide von ANME-1 und möglicherweise um Viren handelt, die von noch unbekannten Strukturproteinen umhüllt sind.

Die viralen Genome wurden mit Prokka v.1.14.6 (Lit. 59) annotiert, um Genbank-Dateien zu erstellen. Ausgewählte Genbankdateien wurden dann mit Clinker v.0.0.23 (Ref. 79) analysiert, um die Clusterung und Ausrichtung der Proteinsequenzen zu erstellen. Die Phylogenie im Proteommaßstab für die Kopfschwanzviren wurde über den VipTree-Server43 durchgeführt.

Familie 'Candidatus Methanospirareceae'. NL neut. N. Methan; Methan; NL-Präf. methano-, bezogen auf Methan; Lv spirare, atmen. Vorgeschlagene Klassifizierung: Klasse Methanomicrobia, Ordnung „Candidatus Methanophagales“. Die Typusart und der Stamm sind „Candidatus Methanospirare jalkutatii“ FWG175.

„Candidatus Methanoxibalbensis ujae“. NL neut. N. Methan; Methan; NL-Präf. methano-, bezogen auf Methan; NL Adj. xibalbensis, vom Ort namens Xibalba, dem Maya-Wort für die Unterwelt; NL neut. N. Methanoxibalbensis Methan-Kreislauforganismus, der in hydrothermalen Tiefseesedimenten vorkommt; NL neut. adj. ujae, vom Wort ujá, was in Kiliwa, einer indigenen Sprache der Ureinwohner von Baja California, Fels bedeutet, und bezieht sich auf die hohe Häufigkeit dieser Art in Gesteinsproben. Vorgeschlagene Klassifizierung: Klasse Methanomicrobia, Ordnung „Candidatus Methanophagales“, Familie „Candidatus Methanoxibalbaceae“, Gattung „Candidatus Methanoxibalbensis“.

Der Materialtyp ist das Genom mit der Bezeichnung NA091.008_bin2 (GCA_026134085.1), ein MAG mit 1,99 Mbit/s in 86 Gerüsten. Das MAG wurde aus einer Mineralprobe (NA091.008) aus der hydrothermalen Umgebung des South Pescadero Basin gewonnen.

„Candidatus Methanospirare jalkutatii“. NL neut. N. Methan; Methan; NL-Präf. methano-, bezogen auf Methan; Lv spirare, atmen; NL neut. N. Methanospirare Methan atmender Organismus; NL-Mask. N. jalkutatii, ein mythischer Drache aus Geschichten des indigenen Volkes Pa ipai aus Nord-Baja, Kalifornien. Dieser Drache bewohnte einen wunderschönen Ort aus Felsen und Wasser, der der hydrothermalen Quelle Auka ähnelte. Vorgeschlagene Klassifizierung: Klasse Methanomicrobia, Ordnung „Candidatus Methanophagales“, Familie „Candidatus Methanoxibalbaceae“, Gattung „Candidatus Methanospirare“.

Der Materialtyp ist das Genom mit der Bezeichnung FWG175 (CP110382.1), ein Einzelgerüst-MAG mit 1,62 Mbit/s in einem kreisförmigen Gerüst. Dieses MAG wurde aus einer methangespeisten Inkubation der Mineralprobe 12.019 gewonnen, die aus der hydrothermalen Umgebung des South Pescadero Basin entnommen wurde.

Die Ordnung Coyopavirales wird innerhalb der bestehenden Klasse Tectiliviricetes nach Coyopa, dem Gott des Donners in der Maya-Mythologie, vorgeschlagen. Es enthält schwanzlose ikosaedrische Viren mit einer bisher nicht gemeldeten Klasse von DJR-MCPs und geringer Proteomüberlappung mit bekannten Viren. Die Familie Chaacviridae wird innerhalb der Coyopavirales nach Chaac, dem Gott des Todes in der Maya-Mythologie, vorgeschlagen. Es zeichnet sich durch ein einheitliches 10–11-kb-Genom und ein Gen aus, das für die Protein-geprimte DNA-Polymerase der Familie B (pPolB) kodiert. Wir schlagen die Gattungsnamen Homochaacvirus und Antichaacvirus vor (von homo, für „gleich“ auf Griechisch, und anti, für „entgegengesetzt“ auf Griechisch, um die Umkehrung eines Genmoduls einschließlich des pPolB-Gens hervorzuheben). Sechs vollständige Genome von Chaacviren wurden erhalten: Methanophagales-Virus PBV304 (OP548099) innerhalb der Sepcies Homochaacvirus pescaderoense, Methanophagales-Virus PBV305 (OP548100) innerhalb der Spezies Homochaacvirus californiaense, Methanophagales-Virus GBV261, Methanophagales-Virus GBV265, Methanophagales-Virus GBV275 und Methanophagale s-Virus PBV266 (OP413841) innerhalb Art Antichaacvirus pescaderoense. Die Kandidatenfamilie Ixchelviridae wird innerhalb von Coyopavirales vorgeschlagen, nach Ix Chel, der Göttin der Hebamme und Medizin in der Maya-Mythologie. Ixchelviridae wird durch die Pescadero-Beckenviren PBV176 und PBV180 repräsentiert, deren Vollständigkeit beim Zusammenbau unbekannt ist.

Die Kandidatenfamilie Huracanviridae wird ohne übergeordnete Klassifizierung nach Hurancan, dem Gott des Windes, des Sturms und des Feuers in der Maya-Mythologie, vorgeschlagen. Es enthält schwanzlose ikosaedrische Viren mit einzelnen Jelly-Roll-MCPs. Es wird durch die Pescadero-Beckenviren PBV264 und PBV238 repräsentiert, wobei die Vollständigkeit der Zusammenstellung unbestimmt ist.

Die Ordnung Nakonvirales wird innerhalb von Caudoviricetes vorgeschlagen, nach Nakon, dem mächtigsten Kriegsgott in der Maya-Mythologie. Es enthält Kopf-Schwanz-Viren mit etwa 80 kb großen Genomen und HK97-fachen MCPs. Die Familie Ahpuchviridae (nach Ah Puch, dem Gott des Todes in der Maya-Mythologie) umfasst eine Gattung, Kisinvirus (nach Kisin, einem anderen Maya-Todesgott) und wird durch ein einziges Virus, Methanophagales-Virus PBV299 (OP413838), innerhalb der Art Kisinvirus repräsentiert pescaderoense. Die Familie Ekchuahviridae (nach Ek Chuah, dem Schutzgott der Krieger und Kaufleute in der Maya-Mythologie) wird durch eine Gattung repräsentiert, Kukulkanvirus (nach Kukulkan, der Kriegsschlange in der Maya-Mythologie). Es umfasst das Methanophagales-Virus GBV301 (OP880252) der Spezies Kukulkanvirus guaymasense und das Methanophagales-Virus GBV302 (OP880253) der Spezies Kukulkanvirus mexicoense, die jeweils zwei divergente HK97-fache MCPs mit ihren eigenen Kapsid-Reifungsproteasen kodieren.

Sieben weitere Kandidatenfamilien von Kopfschwanzviren ohne vollständige Genomvertreter werden vorgeschlagen. Sie bilden eine phylogenetische Clusterschwester der Haloviren (Abb. 5a) und bilden gemäß der phylogenetischen Klassifikation der letzteren wahrscheinlich mehrere nicht klassifizierte Kladen auf Ordnungsebene. Diese Kandidatenfamilien sind Acanviridae, Alomviridae, Bacabviridae, Baalhamviridae, Cabrakanviridae, Cacochviridae und Chiccanviridae, alle benannt nach Göttern in der Maya-Mythologie.

Der Orden Maximonvirales wird innerhalb von Tokiviricetes vorgeschlagen, nach Maximon, einem Gott der Reisenden, Kaufleute, Medizinmänner/-frauen, des Unheils und der Fruchtbarkeit in der Maya-Mythologie. Es enthält stäbchenförmige Viren einer einzigen Familie Ahmunviridae (nach Ah Mun, dem Gott der Landwirtschaft in der Maya-Mythologie) mit einer einzigen Gattung Yumkaaxvirus (nach Yum Kaax, dem Gott des Waldes, der wilden Natur und der Jagd in der Maya-Mythologie). . Es wird durch das vollständige lineare Genom des Methanophagales-Virus PBV300 (OP413840) innerhalb der Art Yumkaaxvirus pescaderoense repräsentiert.

Die Familie Itzamnaviridae ist nach Itzamna benannt, dem Herrn des Himmels sowie der Nacht und des Tages in der Maya-Mythologie. Es enthält spindelförmige Viren, die sich in der Genomgröße unterscheiden und in zwei Gattungen unterteilt sind, die wir Demiitzamnavirus und Pletoitzamnavirus nennen möchten (nach demi- für halb oder teilweise, abgeleitet über Französisch vom lateinischen dimedius und pleto für voll im Lateinischen). Sie werden jeweils durch vollständige Genome des Methanophagales-Virus GBV170 innerhalb der Art Demiitzamnavirus guaymasense, des Methanophagales-Virus GBV303 (OP880254) innerhalb der Art Demiitzamnavirus mexicoense und des Methanophagales-Virus PBV082 (OP413839) innerhalb der Art Pletoitzamnavirus pescaderoense repräsentiert.

Für zwei weitere neue Gruppen spindelförmiger Viren werden Kandidatenfamilien Tepeuviridae und Votanviridae vorgeschlagen, die nach dem Himmelsgott Tepeu bzw. der legendären Ahnengottheit Votan benannt sind. Ihre Genomvertreter Tepeuvirus PBV144 und Votanvirus IMGVR0294848 sind noch nicht zirkularisiert und daher unvollständig.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Portfolio Reporting Summary.

Rohe Metagenom-Reads, zusammengesetzte Metagenom-Bins und Virussequenzdaten sind in der NCBI-Datenbank unter den BioProject-Zugangsnummern PRJNA875076 und PRJNA721962 verfügbar. Vollständige ANME-1-Virusgenome, die neue virale Taxa darstellen, finden Sie auf GenBank unter den Zugangsnummern OP413838, OP413839, OP413840, OP413841, OP548099, OP548100, OP880252, OP880253 und OP880254. Als ergänzende Daten werden auch CRISPR-Spacersequenzen von ANME-1 und alle genomischen Sequenzen von ANME-1-MGEs bereitgestellt. Für die Analyse des Virusgenoms wurden in dieser Studie die folgenden Datenbanken verwendet: Proteindatenbank (nämlich das Hauptkapsidprotein des Phagen PM2, PDB-ID: 2vvf; https://www.rcsb.org/structure/2vvf), CDD v3. 18, PHROG (https://phrogs.lmge.uca.fr/) und uniprot_sprot_vir70 (09.02.2021).

Reeburgh, WS Ozeanische Methanbiogeochemie. Chem. Rev. 107, 486–513 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Chadwick, GL et al. Vergleichende Genomik deckt Elektronentransfer- und syntrophische Mechanismen auf, die methanotrophe und methanogene Archaeen unterscheiden. PLoS Biol. 20, e3001508 (2022).

Artikel Google Scholar

Wegener, G., Laso-Perez, R., Orphan, VJ & Boetius, A. Anaerober Abbau von Alkanen durch marine Archaeen. Annu. Pfr. Fr. Mikrobiol. Rev. 76, 553–577 (2022).

Artikel Google Scholar

Holler, T. et al. Thermophile anaerobe Oxidation von Methan durch marine Mikrobenkonsortien. ISME J. 5, 1946 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Orphan, VJ, House, CH, Hinrichs, K.-U., McKeegan, KD & DeLong, EF Mehrere Archaeengruppen vermitteln die Methanoxidation in anoxischen kalten Sickersedimenten. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. 99, 7663–7668 (2002).

Artikel CAS Google Scholar

Knittel, K. & Boetius, A. Anaerobe Oxidation von Methan: Fortschritt mit einem unbekannten Prozess. Annu. Rev. Microbiol. 63, 311–334 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

McGlynn, SE, Chadwick, GL, Kempes, CP & Orphan, VJ Einzelzellaktivität zeigt direkten Elektronentransfer in methanotrophen Konsortien. Natur 526, 531 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Krukenberg, V. et al. Genexpression und Ultrastruktur meso- und thermophiler methanotropher Konsortien. Umgebung. Mikrobiol. 20, 1651–1666 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Knittel, K., Lösekann, T., Boetius, A., Kort, R. & Amann, R. Diversität und Verbreitung methanotropher Archaeen an kalten Stellen. Appl. Ca. Mikrobiol. Rev. 71, 467–479 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

House, CH et al. Umfangreiche Kohlenstoffisotopenheterogenität unter Methansickermikrobiota. Umgebung. Mikrobiol. 11, 2207–2215 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Biddle, JF et al. Anaerobe Oxidation von Methan bei verschiedenen Temperaturregimen in hydrothermalen Sedimenten des Guaymas-Beckens. ISME J. 6, 1018 (2011).

Artikel Google Scholar

Kevorkian, RT, Callahan, S., Winstead, R. & Lloyd, KG ANME-1-Archaeen können die Ansammlung und Entfernung von Methan in Flussmündungssedimenten vorantreiben. Umgebung. Mikrobiol. Rep. 13, 185–194 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Nauhaus, K., Boetius, A., Krüger, M. & Widdel, F. In-vitro-Demonstration der anaeroben Oxidation von Methan gekoppelt mit der Sulfatreduktion in Sedimenten aus einem Meeresgashydratgebiet. Umgebung. Mikrobiol. 4, 296–305 (2002).

Artikel CAS Google Scholar

Wegener, G., Krukenberg, V., Ruff, SE, Kellermann, MY & Knittel, K. Stoffwechselfähigkeiten von Mikroorganismen, die an der anaeroben Oxidation von Methan beteiligt sind und damit in Zusammenhang stehen. Vorderseite. Mikrobiol. 7, 46 (2016).

Artikel Google Scholar

Li, Z. et al. Mit kalten Sickerstellen verbundene Tiefseesedimente sind ein unterirdisches Reservoir viraler Vielfalt. ISME J. 15, 2366–2378 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Paul, BG et al. Gezielte Diversitätserzeugung durch intraterrestrische Archaeen und Archaeenviren. Nat. Komm. 6, 6585 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, F. et al. Spindelförmige Archaeenviren entwickelten sich aus stäbchenförmigen Vorfahren, um ein größeres Genom zu verpacken. Zelle 185, 1297–1307.e11 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Zimmerman, AE et al. Stoffwechsel- und biogeochemische Folgen einer Virusinfektion in aquatischen Ökosystemen. Nat. Rev. Microbiol. 18, 21–34 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Danovaro, R. et al. Virusvermittelte archaische Hekatombe im Tiefseeboden. Wissenschaft. Adv. 2, e1600492 (2016).

Artikel Google Scholar

Paduan, JB et al. Entdeckung hydrothermaler Quellenfelder auf dem Alarcón Rise und im südlichen Pescadero-Becken, Golf von Kalifornien. Geochem. Geophys. Geosyst. 19, 4788–4819 (2018).

Artikel Google Scholar

Laso-Pérez, R. et al. Thermophile Archaeen aktivieren Butan über die Bildung von Alkyl-Coenzym M. Natur 539, 396 (2016).

Artikel Google Scholar

Dombrowski, N., Teske, AP & Baker, BJ Expansive mikrobielle Stoffwechselvielfalt und Biodiversität in dynamischen hydrothermalen Sedimenten des Guaymas-Beckens. Nat. Komm. 9, 4999 (2018).

Artikel Google Scholar

Speth, DR et al. Mikrobielle Gemeinschaften hydrothermaler Auka-Sedimente geben Aufschluss über die Biogeographie des Schlots und die Evolutionsgeschichte der Thermophilie. ISME J. 16, 1750–1764 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Sauer, DB & Wang, D.-N. Vorhersage der optimalen Wachstumstemperaturen von Prokaryoten ausschließlich anhand genombasierter Merkmale. Bioinformatik 35, 3224–3231 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Sabath, N., Ferrada, E., Barve, A. & Wagner, A. Wachstumstemperatur und Genomgröße bei Bakterien korrelieren negativ, was auf eine genomische Straffung während der thermischen Anpassung hindeutet. Genombiol. Evolution 5, 966–977 (2013).

Artikel Google Scholar

Ermler, U., Grabarse, W., Shima, S., Goubeaud, M. & Thauer, RK Kristallstruktur der Methyl-Coenzym-M-Reduktase: das Schlüsselenzym der biologischen Methanbildung. Science 278, 1457–1462 (1997).

Artikel CAS Google Scholar

Prakash, D., Wu, Y., Suh, S.-J. & Duin, EC Aufklärung des Prozesses der Aktivierung der Methyl-Coenzym-M-Reduktase. J. Bakteriol. Rev. 196, 2491–2498 (2014).

Artikel Google Scholar

Zheng, K., Ngo, PD, Owens, VL, Yang, X.-P. & Mansoorabadi, SO Der Biosyntheseweg von Coenzym F430 in methanogenen und methanotrophen Archaeen. Wissenschaft 354, 339–342 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Beulig, F., Røy, H., McGlynn, S. & Jørgensen, B. Kryptischer CH4-Kreislauf im Sulfat-Methan-Übergang mariner Sedimente, der offenbar durch ANME-1-Archaeen vermittelt wird. ISME J. 296, 10.1038 (2018).

Søndergaard, D., Pedersen, CNS & Greening, C. HydDB: ein Web-Tool zur Hydrogenase-Klassifizierung und -Analyse. Wissenschaft. Rep. 6, 34212–34212 (2016).

Artikel Google Scholar

Bertram, S. et al. Methanogene Fähigkeiten von ANME-Archaeen, abgeleitet aus 13C-Markierungsansätzen. Umgebung. Mikrobiol. 15, 2384–2393 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

He, mBio 12, e03620–e03620 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Russel, J., Pinilla-Redondo, R., Mayo-Muñoz, D., Shah, SA & Sørensen, SJ CRISPRCasTyper: Automatisierte Identifizierung, Annotation und Klassifizierung von CRISPR-Cas-Loci. CRISPR J. 3, 462–469 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Wu, F. et al. Einzigartige mobile Elemente und skalierbarer Genfluss an der Prokaryoten-Eukaryoten-Grenze, offenbart durch zirkularisierte Asgard-Archaeen-Genome. Nat. Mikrobiol. 7, 200–212 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Roux, S. et al. IMG/VR v3: ein integriertes ökologisches und evolutionäres Framework zur Untersuchung von Genomen nicht kultivierter Viren. Nukleinsäuren Res. 49, D764–D775 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Koonin, EV et al. Globale Organisation und vorgeschlagene Megataxonomie der Viruswelt. Mikrobiol. Mol. Biol. Rev. 84, e00061–19 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Krupovic, M. et al. Adnaviria: ein neues Reich für archaeale filamentöse Viren mit linearen doppelsträngigen DNA-Genomen in a-Form. J. Virol. 95, e00673–21 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Jumper, J. et al. Hochpräzise Vorhersage der Proteinstruktur mit AlphaFold. Natur 596, 583–589 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Baek, M. et al. Genaue Vorhersage von Proteinstrukturen und -interaktionen mithilfe eines dreispurigen neuronalen Netzwerks. Wissenschaft 373, 871–876 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Medvedeva, S. et al. Drei Familien von Asgard-Archaeenviren, die in aus Metagenomen zusammengesetzten Genomen identifiziert wurden. Nat. Mikrobiol. 7, 962–973 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Tamarit, D. et al. Ein geschlossenes Odinarchaeum-Chromosom legt Asgard-Archaeenviren offen. Nat. Mikrobiol. 7, 948–952 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, Y. et al. Diversität, Taxonomie und Evolution archaeischer Viren der Klasse Caudoviricetes. PLoS Biol. 19, e3001442 (2021).

Artikel Google Scholar

Nishimura, Y. et al. ViPTree: der virale Proteomic-Tree-Server. Bioinformatik 33, 2379–2380 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Dowell, F. et al. Mikrobielle Gemeinschaften in methan- und kurzkettigen Alkan-reichen hydrothermalen Sedimenten des Guaymas-Beckens. Vorderseite. Mikrobiol. 7, 17 (2016).

Artikel Google Scholar

Fokine, A. et al. Strukturelle und funktionelle Ähnlichkeiten zwischen den Kapsidproteinen der Bakteriophagen T4 und HK97 weisen auf eine gemeinsame Abstammung hin. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. 102, 7163–7168 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, F. et al. Strukturen filamentöser Viren, die hyperthermophile Archaeen infizieren, erklären die DNA-Stabilisierung in extremen Umgebungen. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. 117, 19643–19652 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Baquero, DP et al. Neue Virusisolate aus italienischen hydrothermalen Umgebungen unterstreichen das biogeografische Muster in archaischen Virusgemeinschaften. ISME J. 14, 1821–1833 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Kazlauskas, D., Krupovic, M., Guglielmini, J., Forterre, P. & Venclovas, Č. Vielfalt und Entwicklung von DNA-Polymerasen der B-Familie. Nukleinsäure. Res. 48, 10142–10156 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Graziani, S. et al. Katalytischer Mechanismus und Struktur der viralen Flavin-abhängigen Thymidylat-Synthase ThyX. J. Biol. Chem. 281, 24048–24057 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Dennehy, JJ Evolutionäre Ökologie der Virusentstehung. Ann. NY Acad. Wissenschaft. 1389, 124–146 (2017).

Artikel Google Scholar

Goldbeck, O., Eck, AW & Seibold, GM Echtzeitüberwachung der NADPH-Konzentrationen in Corynebacterium glutamicum und Escherichia coli über den genetisch kodierten Sensor mBFP. Vorderseite. Mikrobiol. 9, 2564 (2018).

Artikel Google Scholar

Benito Merino, D., Zehnle, H., Teske, A. & Wegener, G. Tiefverzweigte ANME-1c-Archaeen wachsen an der oberen Temperaturgrenze der anaeroben Oxidation von Methan. Vorderseite. Mikrobiol. 13, 988871 (2022).

Artikel Google Scholar

Bankevich, A. et al. SPAdes: ein neuer Genomassemblierungsalgorithmus und seine Anwendungen für die Einzelzellsequenzierung. J. Computat. Biol. 19, 455–477 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Eren, AM et al. Von der Community geleitete, integrierte, reproduzierbare Multi-Omics mit Anvi'o. Nat. Mikrobiol. 6, 3–6 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Chaumeil, P.-A., Mussig, AJ, Hugenholtz, P. & Parks, DH GTDB-Tk: ein Toolkit zur Klassifizierung von Genomen mit der Genome Taxonomy Database. Bioinformatik 36, 1925–1927 (2020).

CAS Google Scholar

Parks, DH, Imelfort, M., Skennerton, CT, Hugenholtz, P. & Tyson, GW CheckM: Bewertung der Qualität mikrobieller Genome, die aus Isolaten, Einzelzellen und Metagenomen gewonnen wurden. Genomres. 25, 1043–1055 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Qin, M. et al. LRScaf: Verbesserung der Entwurfsgenome durch lange, laute Lesevorgänge. BMC Genomics 20, 955 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Kang, DD et al. MetaBAT 2: ein adaptiver Binning-Algorithmus für eine robuste und effiziente Genomrekonstruktion aus Metagenom-Assemblys. PeerJ 7, e7359 (2019).

Artikel Google Scholar

Seemann, T. Prokka: Schnelle Annotation des prokaryotischen Genoms. Bioinformatik 30, 2068–2069 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Aramaki, T. et al. KofamKOALA: KEGG Ortholog-Zuweisung basierend auf Profil-HMM und adaptivem Score-Schwellenwert. Bioinformatik 36, 2251–2252 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Meereis, F. & Kaufmann, M. Erweiterung der COG- und arCOG-Datenbanken um Aminosäure- und Nukleotidsequenzen. BMC Bioinf. 9, 479 (2008).

Artikel Google Scholar

Langmead, B. & Salzberg, SL Schnelle Lücken-Lese-Ausrichtung mit Bowtie 2. Nat. Methoden 9, 357–359 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Minkin, I., Patel, A., Kolmogorov, M., Vyahhi, N. & Pham, S. in Algorithms in Bioinformatics (Hrsg. Darling A. & Stoye, J.) 215–229 (Springer Berlin Heidelberg, 2013).

Stamatakis, A. RAxML Version 8: ein Tool für die phylogenetische Analyse und Postanalyse großer Phylogenien. Bioinformatik 30, 1312–1313 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Letunic, I. & Bork, P. Interactive Tree Of Life (iTOL) v4: aktuelle Updates und neue Entwicklungen. Nukleinsäuren Res. 47, W256–W259 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Olm, MR, Brown, CT, Brooks, B. & Banfield, JF dRep: ein Tool für schnelle und genaue Genomvergleiche, das eine verbesserte Genomwiederherstellung aus Metagenomen durch De-Replikation ermöglicht. ISME J. 11, 2864–2868 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Quast, C. et al. Das SILVA-Ribosomal-RNA-Gendatenbankprojekt: verbesserte Datenverarbeitung und webbasierte Tools. Nukleinsäuren Res. 41, D590–D596 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Ludwig, W. et al. ARB: eine Softwareumgebung für Sequenzdaten. Nukleinsäure. Res. 32, 1363–1371 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Larkin, MA et al. Clustal W und Clustal X Version 2.0. Bioinformatik 23, 2947–2948 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Nakamura, T., Yamada, KD, Tomii, K. & Katoh, K. Parallelisierung von MAFFT für groß angelegte Mehrfachsequenz-Alignments. Bioinformatik 34, 2490–2492 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Capella-Gutiérrez, S., Silla-Martínez, JM & Gabaldón, T. trimAl: ein Werkzeug zum automatisierten Alignment-Trimmen in groß angelegten phylogenetischen Analysen. Bioinformatik 25, 1972–1973 (2009).

Artikel Google Scholar

Nguyen, L.-T., Schmidt, HA, von Haeseler, A. & Minh, BQ IQ-TREE: ein schneller und effektiver stochastischer Algorithmus zur Schätzung von Phylogenien mit maximaler Wahrscheinlichkeit. Mol. Biol. Evolution 32, 268–274 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Huerta-Cepas, J. et al. eggNOG 5.0: eine hierarchische, funktionell und phylogenetisch annotierte Orthologie-Ressource basierend auf 5090 Organismen und 2502 Viren. Nukleinsäure. Res. 47, D309–D314 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Davis, JJ et al. Das PATRIC Bioinformatics Resource Center: Erweiterung der Daten- und Analysemöglichkeiten. Nukleinsäure. Res. 48, D606–D612 (2020).

CAS Google Scholar

Bin Jang, H. et al. Die taxonomische Zuordnung unkultivierter prokaryontischer Virusgenome wird durch Gen-Sharing-Netzwerke ermöglicht. Nat. Biotechnologie. 37, 632–639 (2019).

Artikel Google Scholar

Steinegger, M. et al. HH-suite3 für die schnelle Remote-Homologieerkennung und umfassende Proteinannotation. BMC Bioinf. 20, 473 (2019).

Artikel Google Scholar

Gabler, F. et al. Proteinsequenzanalyse mit dem MPI-Bioinformatik-Toolkit. Curr. Protokoll. Bioinforma. 72, e108 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Pettersen, EF et al. UCSF ChimeraX: Strukturvisualisierung für Forscher, Pädagogen und Entwickler. Proteinwissenschaft. 30, 70–82 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Gilchrist, CLM & Chooi, YH Clinker & Clustermap.js: Automatische Generierung von Gencluster-Vergleichszahlen. Bioinformatik 37, 2473–2475 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Wir danken G. Chadwick, H. Yu, R. Murali und A. Philosof für die Diskussion, A. Narayanan für die Vorbereitung der Sequenzierungsbibliothek, S. Connon für technische Unterstützung und S. Roux und A. Teske für die Einreichung von IMG/VR-bezogenen Unterlagen Daten . . . . Wir sind den Wissenschaftsparteien und Co-Chefwissenschaftlern D. Caress (MBARI), R. Zierenberg (UC Davis), den Besatzungen von R/V Falkor (Kreuzfahrt FK181031) und E/V Nautilus (Kreuzfahrt NA091), SuBastian und Hercules zu Dank verpflichtet. Wir danken auch R. Speltz (Autonomous University of Baja California) für die Beratung zur Benennung von Arten aus der Kiliwa-Sprache. Probenentnahmegenehmigungen für FK181031 (25. Juli 2018) wurden von der Generaldirektion Fischerei und Aquakulturplanung, der Nationalen Aquakultur- und Fischereikommission (CONAPESCA: Promotion Fishing Permit No. PPFE/DGOPA-200/18) und der Generaldirektion Geographie erteilt Umwelt, Nationales Institut für Statistik und Geographie (INEGI: Autorisierung EG0122018), mit der zugehörigen Diplomatischen Note Nummer 18-2083 (CTC/07345/18) vom Sekretariat für auswärtige Angelegenheiten, der mexikanischen Agentur für internationale Entwicklungszusammenarbeit und der Generaldirektion für Technik und Wissenschaftliche Zusammenarbeit. Die Genehmigung zur Probenentnahme für die Kreuzfahrt NA091 (18. April 2017) wurde vom Ocean Exploration Trust unter der Genehmigungsnummer EG0072017 eingeholt. Für diese Forschung wurden Proben verwendet, die vom Nautilus Exploration Program des Ocean Exploration Trust, Kreuzfahrt NA091, bereitgestellt wurden. Die E/V Nautlius wird vom Ocean Exploration Trust betrieben, die Kreuzfahrt NA091 wird von der Dalio Foundation und dem Woods Hole Oceanographic Institute unterstützt. Die Finanzierung dieser Arbeit erfolgte durch Zuschüsse der National Science Foundation (STC Center for Dark Energy Biosphere Investigations), der NOMIS Foundation und des US-Energieministeriums unter der Fördernummer DE-SC0020373 an VJO. Diese Arbeit wurde auch von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt Forschungsstiftung) im Rahmen der Deutschen Exzellenzinitiative/Strategie (EXC-2077-390741603 RL-P. und VJO). MK wurde durch den Zuschuss ANR-20-CE20-0009-02 der National Research Agency unterstützt. FW wurde teilweise durch den Rubicon Award 019.162LW.037 des Dutch Research Council, das Human Frontiers Science Program Long-Term Fellowship LT000468/2017 und einen ZJU-HIC Independent PI Startup Grant unterstützt. Dieser Bericht wurde als Bericht über die von einer Behörde der US-Regierung geförderte Arbeit erstellt. Weder die US-Regierung noch eine ihrer Behörden oder ihre Mitarbeiter geben eine Garantie, weder ausdrücklich noch stillschweigend, noch übernehmen sie eine rechtliche Haftung oder Verantwortung für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Nützlichkeit von Informationen, Geräten, Produkten oder Prozessen, die bei deren Verwendung offengelegt werden würde nicht gegen private Rechte verstoßen. Verweise hierin auf ein bestimmtes kommerzielles Produkt, Verfahren oder eine bestimmte Dienstleistung durch Handelsnamen, Marken, Hersteller oder auf andere Weise stellen nicht notwendigerweise eine Billigung, Empfehlung oder Begünstigung durch die US-Regierung oder eine ihrer Behörden dar oder implizieren diese. Die hier geäußerten Ansichten und Meinungen der Autoren geben nicht unbedingt die Ansichten der US-Regierung oder einer ihrer Behörden wieder.

Open access funding provided by Staats- und Universitätsbibliothek Bremen.

Rafael Laso-Perez

Derzeitige Adresse: Abteilung für Systembiologie, Nationales Zentrum für Biotechnologie (CNB-CSIC), Madrid, Spanien

Straße R. Speth

Aktuelle Adresse: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen, Deutschland

Die folgenden Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Rafael Laso-Perez, Fabai Wu.

MARUM, Zentrum für Marine Umweltwissenschaften und Fachbereich Geowissenschaften, Universität Bremen, Bremen, Deutschland

Rafael Laso-Perez

ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center, Hangzhou, China

Fabai Wu & Kehan ​​​​Zhao

Ocean College, Zhejiang-Universität, Zhoushan, China

Fabai Wu

Donghai-Labor, Zhoushan, China

Fabai Wu

Abteilung für Geologie und Planetenwissenschaften, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA

Fabai Wu, Anthony Cremier, John S. Magyar und Victoria J. Orphan

Abteilung für Biologie und Biotechnik, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA

Dan R. Speth und Victoria J. Orphan

Institut Pasteur, Universität Paris Cité, CNRS UMR6047, Abteilung für Archaealvirologie, Paris, Frankreich

Mart Krupovic

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RL-P., FW, AC und VJO konzipierten und gestalteten die Studie. DRS, VJO und JSM nahmen an der ozeanografischen Expedition teil und haben die Originalproben geborgen und verarbeitet. AC und FW führten Gesteinsinkubationen und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungsmikroskopie durch. RL-P., FW und AC führten eine DNA-Extraktion durch. RL-P. und FW führten eine metagenomische Zusammenstellung und Analyse durch. FW führte eine CRISPR-basierte Mobilomentdeckung durch. MK und FW führten Virenanalysen durch. KZ organisierte und katalogisierte Virendaten. RL-P., FW, MK und VJO haben das Manuskript mit Beiträgen aller Co-Autoren geschrieben.

Korrespondenz mit Rafael Laso-Perez, Fabai Wu, Mart Krupovic oder Victoria J. Orphan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Microbiology dankt Brett Baker und Felipe Hernandes Coutinho für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Die Farbschattierung hebt die drei Hauptgruppen der ANME-1-Archaeen hervor. Die violetten Balken markieren 16S-rRNA-Gensequenzen, die aus den in Abb. 1 gezeigten MAGs abgerufen wurden. Die aus Pescadero-MAGs abgerufenen Sequenzen sind fett gedruckt. Bootstrap-Werte über 50 % werden mit einem schwarzen Kreis angezeigt. Der Maßstabsbalken gibt die Anzahl der Nukleotidsubstitutionen pro Stelle an.

Jeder Punkt und jede Zahl stellt die Durchschnittswerte für eine ANME-Gattung/-Art dar (siehe Ergänzungstabelle 2), außer im Fall von Syntrophoarchaeales und Alkanophagales, wo der Punkt die Durchschnittswerte für die gesamte Gruppe darstellt. Die Farbe gibt die entsprechende Taxonomie an. Die gepunktete Linie zeigt das Regressionsmodell (R2 = 0,3858).

Schwarze Kreise zeigen Bootstrap-Unterstützungswerte über 70 % an. Der Maßstabsbalken stellt die Anzahl der Aminosäuresubstitutionen pro Stelle dar.

Contigs, die den Abfragegenomen (NA091.008, FW4382_bin126) entsprechen, sind grün markiert und das Genomgerüst von FWG175 ist orange markiert. Der Contig, der das Hydrogenase-Operon enthält, wird in Lila dargestellt und die entsprechenden Homologieabschnitte zwischen dem Referenz- und dem Abfragegenom werden in Blau hervorgehoben. Die Region zwischen diesen Homologieabschnitten entspricht dem Hydrogenase-Operon, das im Genom FWG175 nicht nachgewiesen wurde.

Die grüne und blaue Schattierung zeigt die taxonomische Identität des ANME-1 MAG an, das die entsprechende Hydrogenase enthält. Schwarze Kreise zeigen Bootstrap-Unterstützungswerte über 70 % an. Der Maßstabsbalken stellt die Anzahl der Aminosäuresubstitutionen pro Stelle dar.

(a) CRISPR/Cas-Merkmale in den beiden am stärksten benachbarten ANME-1c-MAGs, die mit CCtyper charakterisiert wurden. Schwarze Balken zeigen CRISPR-Arrays an. (b) Contig-Längen aller in dieser Studie gefundenen mobilen genetischen Elemente (MGEs) von ANME-1. Beachten Sie, dass die Contig-Länge nicht unbedingt die Vollständigkeit anzeigt, da IMG/VR v.3 stärker mit Kopf-Schwanz-Viren angereichert ist (mit Genomen mit einer Größe von bis zu 80 kb), während die Contigs, die direkt aus metagenomischen Assemblies des Pescadero/Guaymas-Beckens erhalten wurden, viele schwanzlose ikosaedrische Viren enthalten, deren Genome haben eine Größe von etwa 10 kb. (c) Verteilung von Protospacern innerhalb der mobilen ANME-1-Elemente, die in den Becken von S. Pescadero und Guaymas gefunden wurden.

Über vCONTACT2 erstellte Gen-Sharing-Netzwerke weisen darauf hin, dass sich alle mobilen genetischen Elemente von ANME-1 (Magenta) gut von den bekannten Haloarchaealviren oder Haloviren (blau) und anderen Viren mit bekannten Wirten (orange) unterscheiden.

Rechts: Blau, ANME-1-Virusfamilien; schwarze, haloarchaische Virusfamilien. MCPs aus vollständigen Genomen von ANME-1-Viren sind blau und ihre jeweiligen Familien fett dargestellt.

Die Farben zeigen hier Proteinfamilien an, die von mindestens zwei repräsentativen Virusgenomen kodiert werden. Grau zeigt Singleton-Proteine ​​ohne offensichtliche Homologe an. Unten sind Maßstabsbalken für Proteinidentitätswerte und Genomgrößen angegeben. Die Namen und Größen der viralen Contigs sind auf der linken Seite und ihre jeweiligen Familiennamen auf der rechten Seite angegeben.

a, unbewurzelte Phylogenie legt nahe, dass sich ANME-1 thyX möglicherweise aus thyX-Genen entwickelt hat, die aus ANME-1-Viren stammen. Die beiden Versionen von ThyX im ANME-1c-Behälter B22_G9 sind hervorgehoben. b, Verteilung des ThyX-Gens in verschiedenen spindelförmigen Viren, angegeben im Gene-Sharing-Netzwerk. c, Sequenzvergleich, der die Erhaltung und Variation des Geninhalts rund um das thyX-Gen in den Genomen spindelförmiger Viren zeigt.

Kurze Diskussion einiger Ergebnisse der Arbeit: Stoffwechselmerkmale von ANME-1c und viralen Genen.

12 Ergänzungstabellen mit zusätzlichen Informationen.

Fasta-Datei mit den in dieser Studie gefundenen CRISPR-Spacer-Sequenzen.

Fasta-Datei mit ANME-1-spezifischen MGEs aus den Guaymas- und Pescadero-Becken.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Laso-Pérez, R., Wu, F., Crémière, A. et al. Evolutionäre Diversifizierung methanotropher ANME-1-Archaeen und ihres expansiven Viroms. Nat Microbiol 8, 231–245 (2023). https://doi.org/10.1038/s41564-022-01297-4

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Eingegangen: 13. Juni 2022

Angenommen: 29. November 2022

Veröffentlicht: 19. Januar 2023

Ausgabedatum: Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41564-022-01297-4

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Naturmikrobiologie (2023)