David Vallenet, Eric Viollier, Damien Faivre, Nathalie Leonhardt, Stéphanie Fouteau, Géraldine Adryanczyk, Corinne Cruaud, Christopher T. Lefèvre, Nicolas Menguy, Purificación López-García, David Pignol, Richard J. Weld, Karim Benzerara, Valérie Barbe, Caroline L. Monteil, Magali Floriani, Microbiologie Environnementale et Moléculaire (MEM), Institut de Biosciences et Biotechnologies d'Aix-Marseille (ex-IBEB) (BIAM), Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Génomique métabolique (UMR 8030), Genoscope - Centre national de séquençage [Evry] (GENOSCOPE), Université Paris-Saclay-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université d'Évry-Val-d'Essonne (UEVE)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC), Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR206-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'écotoxicologie des radionucléides (IRSN/PSE-ENV/SRTE/LECO), Service de recherche sur les transferts et les effets des radionucléides sur les écosystèmes (IRSN/PSE-ENV/SRTE), Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN)-Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Université de La Réunion (UR)-Institut de Physique du Globe de Paris (IPG Paris)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Plant Environmental Physiology and Stress Signaling (PEPSS), Department of Biomaterials [Potsdam], Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, Max-Planck-Gesellschaft-Max-Planck-Gesellschaft, Ecologie Systématique et Evolution (ESE), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-AgroParisTech-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Lincoln University, New Zealand, Dumont d’Urville Science and Technology Programme (grant no. DDU-LVL1501), New Zealand Ministry for Business, Innovation and Employment (grant no. LVLX1703), ANR-16-TERC-0025,BIOMAGNET,Exploration de la biodiversité des bactéries magnétotactiques(2016), ANR-14-CE35-0018,GroMa,Greigite or magnetite: Environmental and genetic determinants controlling biomineralization in magnetotactic bacteria(2014), Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université d'Évry-Val-d'Essonne (UEVE), PSE-ENV/SRTE/LECO, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-IPG PARIS-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Université de La Réunion (UR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Signalisation de l'Adaptation des Végétaux à l'Environnement (SAVE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Aix Marseille Université (AMU)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Aix Marseille Université (AMU)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), and Laboratoire de Radioécologie et d'Ecotoxicologie (DEI/SECRE/LRE)
Mutualistic symbioses are often a source of evolutionary innovation and drivers of biological diversification1. Widely distributed in the microbial world, particularly in anoxic settings2,3, they often rely on metabolic exchanges and syntrophy2,4. Here, we report a mutualistic symbiosis observed in marine anoxic sediments between excavate protists (Symbiontida, Euglenozoa)5 and ectosymbiotic Deltaproteobacteria biomineralizing ferrimagnetic nanoparticles. Light and electron microscopy observations as well as genomic data support a multi-layered mutualism based on collective magnetotactic motility with division of labour and interspecies hydrogen-transfer-based syntrophy6. The guided motility of the consortia along the geomagnetic field is allowed by the magnetic moment of the non-motile ectosymbiotic bacteria combined with the protist motor activity, which is a unique example of eukaryotic magnetoreception7 acquired by symbiosis. The nearly complete deltaproteobacterial genome assembled from a single consortium contains a full magnetosome gene set8, but shows signs of reduction, with the probable loss of flagellar genes. Based on the metabolic gene content, the ectosymbiotic bacteria are anaerobic sulfate-reducing chemolithoautotrophs that likely reduce sulfate with hydrogen produced by hydrogenosome-like organelles6 underlying the plasma membrane of the protist. In addition to being necessary hydrogen sinks, ectosymbionts may provide organics to the protist by diffusion and predation, as shown by magnetosome-containing digestive vacuoles. Phylogenetic analyses of 16S and 18S ribosomal RNA genes from magnetotactic consortia in marine sediments across the Northern and Southern hemispheres indicate a host–ectosymbiont specificity and co-evolution. This suggests a historical acquisition of magnetoreception by a euglenozoan ancestor from Deltaproteobacteria followed by subsequent diversification. It also supports the cosmopolitan nature of this type of symbiosis in marine anoxic sediments. Here, the authors identify a mutualistic symbiosis between a non-motile, magnetic deltaproteobacterium and a protist, resulting in eukaryotic magnetoreception in marine anoxic sediments.