Insights into the distribution and ecological role of members of the archaeal Phylum Bathyarchaeota. From the global to the local scale

Abstract

The Phylum Bathyarchaeota is currently one of the most studied uncultured archaeal phyla. Bathyarchaeota are phylogenetically diverse, globally ubiquitous and especially abundant in marine subsurface sediments. Despite their global significance, their ecological role is still unknown due to the lack of cultivated representatives and the paucity of available sequenced genomes. Besides, current distribution patterns provide few clues about their metabolic capabilities and physiological requirements. The current work tackled the problem by combining different phylogenetic and molecular techniques to shed light on the main environmental drivers that affect the distribution patterns of Bathyarchaeota at a global and regional scale. Our results showed that the phylum Bathyarchaeota went across various saline–freshwater transitions during its evolution that caused diversification events that resulted in subgroups specifically adapted to marine and saline habitats. Besides, our approach provided a robust ecological framework in which Bathyarchaeota appear as a core generalist group in the sediment realm, sharing their key role with other uncultured archaeal lineages such as the Thermoplasmata. At a regional scale, a molecular survey carried out in different stratified lakes of the Banyoles Karstic System provided evidences that Bathyarchaeota are a common component of archaeal assemblages thriving in both euxinic water compartments and sediments. Multivariate analyses identified sulfide and dissolved organic carbon as main environmental variables that explain the distribution of Bathyarchaeota subgroups between the planktonic and sedimentary habitats. In the latter, Bathyarchaeota were particularly prevalent in biofilms developed on leaf litter settled in sediments of Lake Cisó, that provided a natural enrichment where to better characterize their habitat segregation, phylogenetic diversity and membrane lipid composition. The application of complementary molecular tools such as massive sequencing of 16S rRNA gene and lipidomics revealed that biofilms were almost solely composed of subgroup Bathyarchaeota-6 and possessed a characteristic, and hitherto unknown, profile of isomeric isoprenoid tetraether lipids GDGT-1, -2 and -3. Altogether, our study recognised Bathyarchaeota as key players in marine and freshwater sediments at both global and regional scales. We also identified the main environmental drivers behind their group diversification and current subgroup segregation, and stablished the co-occurrence and putative synergy between members of the Phylum Bathyarchaeota and the class Thermoplasmata. Besides, our work provides new molecular tools to better address ecological studies focused on the Bathyarchaeota and make an important step forward to finally find a specific lipid biomarker for this widespread and diverse archaeal lineage.

El Fílum Bathyarchaeota és un dels llinatges d’arqueus no cultivats més estudiat degut a la seva diversitat filogenètica i ubiqüitat, especialment en sediments marins on són particularment abundants. Tot i així, la manca de representants cultivats i els pocs genomes seqüenciats del que es disposa limita el coneixement sobre el seu paper en l’ecosistema, els factors ambientals que afecten la seva distribució, les seves capacitats metabòliques i requeriments fisiològics. El treball que aquí es presenta combina tècniques moleculars i filogenètiques per conèixer quins factors ambientals són els que afecten la distribució dels Bathyarchaeota a escala global i regional. Els resultats mostren que el Fílum Bathyarchaeota ha patit, al llarg de l’evolució, diverses transicions entre ambients salins i d’aigua dolça que han resultat en una diversificació i adaptació dels diferents subgrups a cadascun d’aquests ambients. Les aproximacions moleculars que hem desenvolupat defineixen un marc ecològic robust en el que Bathyarchaeota apareix com a un grup central, generalista en termes de recursos i que desenvolupa,juntament amb altres llinatges d’arqueus no cultivats com ara els Thermoplasmata, un paper clau en els sediments. A escala regional, hem aplicat un anàlisi molecular en diversos llacs estratificats del Sistema Càrstic de Banyoles que ha permès determinar que els Bathyarchaeota són membres estables de la comunitat d’arqueus en ambients euxínics tant de la columna d’aigua com del sediment. Les anàlisi multivariants han identificat que el sulfhídric i el carboni orgànic dissolt són les principals variables ambientals que expliquen la segregació dels subgrups de batiarqueus entre nínxols planktònics i sedimentaris. Concretament en ambients bentònics, els Bathyarchaeota són particularment abundants en biofilms desenvolupats sobre fulles en descomposició acumulades al sediment del llac Cisó, representant un vertader “enriquiment natural” d’aquests arqueus. Estudis de lipidòmica i seqüenciació massiva del gen del 16S rRNA han mostrat que en aquests biofilms la comunitat d’arqueus està composada gairebé en la seva totalitat per Bathyarchaeota del subgrup–6 i mostren un perfil d’isòmers dels lípids isoprenoides de membrana (GDGT–1, –2 i –3) únic i fins ara desconegut. En conjunt, el nostre estudi identifica als Bathyarchaeota com a grup clau en sediments marins i lacustres tant a escala global com regional. També identifica els principals factors ambientals que han afectat la seva diversificació durant l’evolució així com en la segregació que actualment mostrenen ambients lacustres. També es presenten evidències de la co-ocurrència freqüent entre membres del fílum Bathyarchaeota i la classe Thermoplasmata en sediments, fet que suggereix una possible relació sintrófica entre aquests dos llinatges. El treball aporta, a més, eines moleculars que permetran estudiar els Bathyarchaeota amb més detall i avenços clau per la identificació de biomarcadors lipídics específics per aquest grup d’arqueus tan ubic i divers.