8/12/2019 The primary kingdoms

1/3

P r o c . N a t l . A c a d . S c i . USAV o l . 7 4 , N o . 1 1 , p p . 5 0 8 8 - 5 0 9 0 , N o v e m b e r 1 9 7 7E v o l u t i o n

P h y l o g e n e t i c s t r u c t u r e o f t h e p r o k a r y o t i c d o m a i n : The p r i m a r yk i n g d o m s( a r c h a e b a c t e r i a / e u b a c t e r i a / u r k a r y o t e / 1 6 S r i b o s o m a l R N A / m o l e c u l a r p h y l o g e n y )

CARL R . WOESE A ND G EO RG E E . FoxD e p a r t m e n t o f G e n e t i c s a n d D e v e l o p m e n t , U n i v e r s i t y o f I l l i n o i s , U r b a n a , I l l i n o i s 6 1 8 0 1C o m m u n i c a t e d b y T . M . S o n n e b o r n , A u g u s t 1 8 , 1 9 7 7ABSTRACT A p h y l o g e n e t i c a n a l y s i s b a s e d u p o n r i b o s o m a lR NA s e q u e n c e c h a r a c t e r i z a t i o n r e v e a l s t h a t l i v i n g s y s t e m sr e p r e s e n t o n e o f t h r e e a b o r i g i n a l l i n e s o f d e s c e n t : i t h e e u -b a c t e r i a , c o m p r i s i n g a l l t y p i c a l b a c t e r i a ; i i t h e a r c h a e b a c t e r i a ,c o n t a i n i n g m e t h a n o g e n i c b a c t e r i a ; a n d i i i t h e u r k a r y o t e s , n o wr e p r e s e n t e d i n t h e c y t o p l a s m i c c o m p o n e n t o f e u k a r y o t i cc e l l s .T h e b i o l o g i s t h a s c u s t o m a r i l y s t r u c t u r e d h i s w o r l d i n t e r m s o fc e r t a i n b a s i c d i c h o t o m i e s . C l a s s i c a l l y , w h a t w a s n o t p l a n t w a sa n i m a l . T h e d i s c o v e r y t h a t b a c t e r i a , w h i c h i n i t i a l l y h a d b e e nc o n s i d e r e d p l a n t s , r e s e m b l e d b o t h p l a n t s a n d a n i m a l s l e s s t h a np l a n t s a n d a n i m a l s r e s e m b l e d o n e a n o t h e r l e d t o a r e f o r m u l a -t i o n o f t h e i s s u e i n t e r m s o f a y e t m o r e b a s i c d i c h o t o m y , t h a t o fe u k a r y o t e v e r s u s p r o k a r y o t e . T h e s t r i k i n g d i f f e r e n c e s b e t w e e ne u k a r y o t i c a n d p r o k a r y o t i c c e l l s h a v e n o w b e e n d o c u m e n t e di n e n d l e s s m o l e c u l a r d e t a i l . A s a r e s u l t , i t i s g e n e r a l l y t a k e n f o rg r a n t e d t h a t a l l e x t a n t l i f e m u s t b e o f t h e s e t w o b a s i c t y p e s .T h u s , i t a p p e a r s t h a t t h e b i o l o g i s t h a s s o l v e d t h e p r o b l e m o ft h e p r i m a r y p h y l o g e n e t i c g r o u p i n g s . H o w e v e r , t h i s i s n o t t h ec a s e . D i v i d i n g t h e l i v i n g w o r l d i n t o P r o k a r y o t a e a n d E u k a r -y o t a e h a s s e r v e d , i f a n y t h i n g , t o o b s c u r e t h e p r o b l e m o f w h a te x t a n t g r o u p i n g s r e p r e s e n t t h e v a r i o u s p r i m e v a l b r a n c h e s f r o mt h e common l i n e o f d e s c e n t . T h e r e a s o n i s t h a t e u k a r y o t e /p r o k a r y o t e i s n o t p r i m a r i l y a p h y l o g e n e t i c d i s t i n c t i o n , a l t h o u g hi t i s g e n e r a l l y t r e a t e d s o . T h e e u k a r y o t i c c e l l i s o r g a n i z e d i n ad i f f e r e n t a n d m o r e c o m p l e x w a y t h a n i s t h e p r o k a r y o t e ; t h i sp r o b a b l y r e f l e c t s t h e f o r m e r s c o m p o s i t e o r i g i n a s a s y m b i o t i cc o l l e c t i o n o f v a r i o u s s i m p l e r o r g a n i s m s 1 - 5 . H o w e v e r s t r i k i n g ,t h e s e o r g a n i z a t i o n a l d i s s i m i l a r i t i e s d o n o t g u a r a n t e e t h a t e u -k a r y o t e a n d p r o k a r y o t e r e p r e s e n t p h y l o g e n e t i c e x t r e m e s .T h e e u k a r y o t i c c e l l p e r s e c a n n o t b e d i r e c t l y c o m p a r e d t ot h e p r o k a r y o t e . T h e c o m p o s i t e n a t u r e o f t h e e u k a r y o t i c c e l lm a k e s i t n e c e s s a r y t h a t i t f i r s t b e c o n c e p t u a l l y r e d u c e d t o i t sp h y l o g e n e t i c a l l y s e p a r a t e c o m p o n e n t s , w h i c h a r o s e f r o m a n -c e s t o r s t h a t w e r e n o n c o m p o s i t e a n d s o i n d i v i d u a l l y a r e c o m -p a r a b l e t o p r o k a r y o t e s . I n o t h e r w o r d s , t h e q u e s t i o n o f t h ep r i m a r y p h y l o g e n e t i c g r o u p i n g s m u s t b e f o r m u l a t e d s o l e l y i nt e r m s o f r e l a t i o n s h i p s a m o n g p r o k a r y o t e s - i . e . , n o n c o m p o s i t ee n t i t i e s . ( N o t e t h a t i n t h i s c o n t e x t t h e r e i s n o s u g g e s t i o n a p r i o r it h a t t h e l i v i n g w o r l d i s s t r u c t u r e d i n a d i c h o t o m o u s w a y . )T h e o r g a n i z a t i o n a l d i f f e r e n c e s b e t w e e n p r o k a r y o t e a n de u k a r y o t e a n d t h e c o m p o s i t e n a t u r e o f t h e l a t t e r i n d i c a t e a ni m p o r t a n t p r o p e r t y o f t h e e v o l u t i o n a r y p r o c e s s : E v o l u t i o n s e e m st o p r o g r e s s i n a q u a n t i z e d f a s h i o n . O n e l e v e l o r d o m a i n o fo r g a n i z a t i o n g i v e s r i s e u l t i m a t e l y t o a h i g h e r ( m o r e c o m p l e x )o n e . W h a t p r o k a r y o t e a n d e u k a r y o t e a c t u a l l y r e p r e s e n ta r e t w o s u c h d o m a i n s . T h u s , a l t h o u g h i t i s u s e f u l t o d e f i n ep h y l o g e n e t i c p a t t e r n s w i t h i n e a c h d o m a i n , i t i s n o t m e a n i n g f u lT h e c o s t s o f p u b l i c a t i o n o f t h i s a r t i c l e w e r e d e f r a y e d i n p a r t b y t h ep a y m e n t o f p a g e c h a r g e s . T h i s a r t i c l e m u s t t h e r e f o r e b e h e r e b y m a r k e d a d v e r t i s e m e n t i n a c c o r d a n c e w i t h 1 8 U . S . C . 1 7 3 4 s o l e l y t o i n d i c a t et h i s f a c t .

t o c o n s t r u c t p h y l o g e n e t i c c l a s s i f i c a t i o n s b e t w e e n d o m a i n s :P r o k a r y o t i c k i n g d o m s a r e n o t c o m p a r a b l e t o e u k a r y o t i c o n e s .T h i s s h o u l d b e r e c o g n i z e d b y , a n a p p r o p r i a t e t e r m i n o l o g y . T h eh i g h e s t p h y l o g e n e t i c u n i t i n t h e p r o k a r y o t i c d o m a i n w e t h i n ks h o u l d b e c a l l e d a n u r k i n g d o m - o r p e r h a p s p r i m a r yk i n g d o m . T h i s w o u l d r e c o g n i z e t h e q u a l i t a t i v e d i s t i n c t i o nb e t w e e n p r o k a r y o t i c a n d e u k a r y o t i c k i n g d o m s a n d e m p h a s i z et h a t t h e f o r m e r h a v e p r i m a r y e v o l u t i o n a r y s t a t u s .T h e p a s s a g e f r o m o n e d o m a i n t o a h i g h e r o n e t h e n b e c o m e sa c e n t r a l p r o b l e m . I n i t i a l l y o n e w o u l d l i k e t o k n o w w h e t h e r t h i si s a f r e q u e n t o r a r a r e ( u n i q u e ) e v o l u t i o n a r y e v e n t . I t i s t r a d i -t i o n a l l y a s s u m e d - w i t h o u t e v i d e n c e - t h a t t h e e u k a r y o t i cd o m a i n h a s a r i s e n b u t o n c e ; a l l e x t a n t e u k a r y o t e s s t e m f r o m ac o m m o n a n c e s t o r , i t s e l f e u k a r y o t i c 2 . A s i m i l a r p r e j u d i c e h o l d sf o r t h e p r o k a r y o t i c d o m a i n 2 . [ W e e l s e w h e r e a r g u e 6 t h a ta h y p o t h e t i c a l d o m a i n o f l o w e r c o m p l e x i t y , t h a t o f p r o -g e n o t e s , m a y h a v e p r e c e d e d a n d g i v e n r i s e t o t h e p r o k a r y o t e s . ]T h e p r e s e n t c o m m u n i c a t i o n i s a d i s c u s s i o n o f r e c e n t f i n d i n g st h a t r e l a t e t o t h e u r k i n g d o m s t r u c t u r e o f t h e p r o k a r y o t i c d o -m a i n a n d t h e q u e s t i o n o f i t s u n i q u e a s o p p o s e d t o m u l t i p l e o r -i g i n .P h y l o g e n e t i c r e l a t i o n s h i p s c a n n o t b e r e l i a b l y e s t a b l i s h e d i nt e r m s o f n o n c o m p a r a b l e p r o p e r t i e s 7 . A c o m p a r a t i v e a p -p r o a c h t h a t c a n m e a s u r e d e g r e e o f d i f f e r e n c e i n c o m p a r a b l es t r u c t u r e s i s r e q u i r e d . A n o r g a n i s m s g e n o m e s e e m s t o b e t h eu l t i m a t e r e c o r d o f i t s e v o l u t i o n a r y h i s t o r y 8 . T h u s , c o m p a r -a t i v e a n a l y s i s o f m o l e c u l a r s e q u e n c e s h a s b e c o m e a p o w e r f u la p p r o a c h t o d e t e r m i n i n g e v o l u t i o n a r y r e l a t i o n s h i p s 9 , 1 0 .T o d e t e r m i n e r e l a t i o n s h i p s c o v e r i n g t h e e n t i r e s p e c t r u m o fe x t a n t l i v i n g s y s t e m s , o n e o p t i m a l l y n e e d s a m o l e c u l e o f a p -p r o p r i a t e l y b r o a d d i s t r i b u t i o n . N o n e o f t h e r e a d i l y c h a r a c t e r -i z e d p r o t e i n s f i t s t h i s r e q u i r e m e n t . H o w e v e r , r i b o s o m a l R NAd o e s . I t i s a c o m p o n e n t o f a l l s e l f - r e p l i c a t i n g s y s t e m s ; i t i s r e a d i l yi s o l a t e d ; a n d i t s s e q u e n c e c h a n g e s b u t s l o w l y w i t h t i m e - p e r -m i t t i n g t h e d e t e c t i o n o f r e l a t e d n e s s a m o n g v e r y d i s t a n t s p e c i e s( 1 1 - 1 3 ) . T o d a t e , t h e p r i m a r y s t r u c t u r e o f t h e 1 6 S ( 1 8 S ) r i b o -s o m a l R NA h a s b e e n c h a r a c t e r i z e d i n a m o d e r a t e l y l a r g e a n dv a r i e d c o l l e c t i o n o f o r g a n i s m s a n d o r g a n e l l e s , a n d t h e g e n e r a lp h y l o g e n e t i c s t r u c t u r e o f t h e p r o k a r y o t i c d o m a i n i s b e g i n n i n gt o e m e r g e .A c o m p a r a t i v e a n a l y s i s o f t h e s e d a t a , s u m m a r i z e d i n T a b l e1 , s h o w s t h a t t h e o r g a n i s m s c l e a r l y c l u s t e r i n t o s e v e r a l p r i m a r yk i n g d o m s . T h e f i r s t o f t h e s e c o n t a i n s a l l o f t h e t y p i c a l b a c t e r i as o f a r c h a r a c t e r i z e d , i n c l u d i n g t h e g e n e r a A c e t o b a c t e r i u m ,A c i n e t o b a c t e r , A c h o l e p l a s m a , A e r o m o n a s , A l c a l i g e n e s , A n -a c y s t i s , A p h a n o c a p s a , B a c i l l u s , B d e l l o v b r i o , C h l o r o b i u m ,C h r o m a t i u m , C l o s t r i d i u m , C o r y n e b a c t e r i u m , E s c h e r i c h i a ,E u b a c t e r i u m , L a c t o b a c i l l u s , L e p t o s p i r a , M i c r o c o c c u s , M y -c o p l a s n a , P a r a c o c c u s , P h o t o b a c t e r i u r n , P r o p i o n i b a c t e r i u m , P r e s e n t a d d r e s s : D e p a r t m e n t o f B i o p h y s i c a l S c i e n c e s , U n i v e r s i t y o fH o u s to n , H o u s to n , TX 7 7 0 0 4 .

5 0 8 8

8/12/2019 The primary kingdoms

2/3

P r o c . N a t l . A c a d . S c i . USA 7 4 ( 1 9 7 7 ) 5 0 8 9T a b l e 1 . A s s o c i a t i o n c o e f f i c i e n t s ( S A B ) b e t w e e n r e p r e s e n t a t i v e m e m b e r s o f t h e t h r e e p r i m a r y k i n g d o m s

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 31 . S a c c h a r o m y c e s c e r e v i s i a e , 1 8 S 0 . 2 9 0 . 3 3 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 1 0 . 0 8 0 . 1 1 0 . 1 1 0 . 0 8 0 . 0 82 . Lemna m i n o r , 1 8 S 0 . 2 9 0 . 3 6 0 . 1 0 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 1 0 0 . 0 9 0 . 1 1 0 . 1 0 0 . 1 0 0 . 1 3 0 . 0 73 . L c e l l , 1 8 S 0 . 3 3 0 . 3 6 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 7 0 . 0 9 0 . 0 6 0 . 1 0 0 . 1 0 0 . 0 9 0 . 0 74 . E s c h e r i c h i a c o l i 0 . 0 5 0 . 1 0 0 . 0 6 0 . 2 4 0 . 2 5 0 . 2 8 0 . 2 6 0 . 2 1 0 . 1 1 0 . 1 2 0 . 0 7 0 . 1 25 . C h l o r o b i u m v i b r i o f o r m e 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 2 4 0 . 2 2 0 . 2 2 0 . 2 0 0 . 1 9 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 6 0 . 0 96 . B a c i l l u s f i r m u s 0 . 0 8 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 2 5 0 . 2 2 0 . 3 4 0 . 2 6 0 . 2 0 0 . 1 1 0 . 1 3 0 . 0 6 0 . 1 27 . C o r y n e b a c t e r i u m d i p h t h e r i a e 0 . 0 9 0 . 1 0 0 . 0 7 0 . 2 8 0 . 2 2 0 . 3 4 0 . 2 3 0 . 2 1 0 . 1 2 0 . 1 2 0 . 0 9 0 . 1 08 . A p h a n o c a p s a 6 7 1 4 0 . 1 1 0 . 0 9 0 . 0 9 0 . 2 6 0 . 2 0 0 . 2 6 0 . 2 3 0 . 3 1 0 . 1 1 0 . 1 1 0 . 1 0 0 . 1 09 . C h l o r o p l a s t ( L e m n a ) 0 . 0 8 0 . 1 1 0 . 0 6 0 . 2 1 0 . 1 9 0 . 2 0 0 . 2 1 0 . 3 1 0 . 1 4 0 . 1 2 0 . 1 0 0 . 1 2

1 0 . M e t h a n o b a c t e r i u m t h e r m o a u t o t r o p h i c u m 0 . 1 1 0 . 1 0 0 . 1 0 0 . 1 1 0 . 0 6 0 . 1 1 0 . 1 2 0 . 1 1 0 . 1 4 0 . 5 1 0 . 2 5 0 . 3 01 1 . M . r u m i n a n t i u m s t r a i n M - 1 0 . 1 1 0 . 1 0 0 . 1 0 0 . 1 2 0 . 0 7 0 . 1 3 0 . 1 2 0 . 1 1 0 . 1 2 0 . 5 1 0 . 2 5 0 . 2 41 2 . M e t h a n o b a c t e r i u m s p . , C a r i a c o i s o l a t e J R - 1 0 . 0 8 0 . 1 3 0 . 0 9 0 . 0 7 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 9 0 . 1 0 0 . 1 0 0 . 2 5 0 . 2 5 0 . 3 21 3 . M e t h a n o s a r c i n a b a r k e r i 0 . 0 8 0 . 0 7 0 . 0 7 0 . 1 2 0 . 0 9 0 . 1 2 0 . 1 0 0 . 1 0 0 . 1 2 0 . 3 0 0 . 2 4 0 . 3 2 T h e 1 6 S ( 1 8 S ) r i b o s o m a l R N A f r o m t h e o r g a n i s m s ( o r g a n e l l e s ) l i s t e d w e r e d i g e s t e d w i t h T 1 R N a s e a n d t h e r e s u l t i n g d i g e s t s w e r e s u b j e c t e dt o t w o - d i m e n s i o n a l e l e c t r o p h o r e t i c s e p a r a t i o n t o p r o d u c e a n o l i g o n u c l e o t i d e f i n g e r p r i n t . T h e i n d i v i d u a l o l i g o n u c l e o t i d e s o n e a c h f i n g e r p r i n tw e r e t h e n s e q u e n c e d b y e s t a b l i s h e d p r o c e d u r e s ( 1 3 , 1 4 ) t o p r o d u c e a n o l i g o n u c l e o t i d e c a t a l o g c h a r a c t e r i s t i c o f t h e g i v e n o r g a n i s m 3 , 4 , 1 3 - 1 7 ,2 2 , 2 3 ; u n p u b l i s h e d d a t a ) . C o m p a r i s o n s o f a l l p o s s i b l e p a i r s o f s u c h c a t a l o g s d e f i n e s a s e t o f a s s o c i a t i o n c o e f f i c i e n t s ( S A B ) g i v e n b y : S A B =2 N A B / ( N A N B i n w h i c h N A , N B , a n d N A B a r e t h e t o t a l n u m b e r s o f n u c l e o t i d e s i n s e q u e n c e s o f h e x a m e r s o r l a r g e r i n t h e c a t a l o g f o r o r g a n i s mA , i n t h a t f o r o r g a n i s m B , a n d i n t h e i n t e r r e a c t i o n o f t he t w o c a t a l o g s , r e s p e c t i v e l y ( 1 3 , 2 3 ) .

P s e u d o m o n a s , R h o d o p s e u d o m o n a s , R h o d o s p i r i l l u m , S p i r o -c h a e t a , S p i r o p l a s m a , S t r e p t o c o c c u s , a n d V i b r i o r e f s . 1 3 - 1 7 ;u n p u b l i s h e d d a t a . T h e g r o u p h a s t h r e e m a j o r s u b d i v i s i o n s , t h eb l u e - g r e e n b a c t e r i a a n d c h l o r o p l a s t s , t h e G r a m - p o s i t i v eb a c t e r i a , a n d a b r o a d G r a m - n e g a t i v e s u b d i v i s i o n r e f s . 3 , 4 ,1 3 - 1 7 ; u n p u b l i s h e d d a t a ) . I t i s a p p r o p r i a t e t o c a l l t h i s u r k i n g -d o m t h e e u b a c t e r i a .A s e c o n d g r o u p i s d e f i n e d b y t h e 1 8 S r R N A s o f t h e e u k a r y o t i cc y t o p l a s m - a n i m a l , p l a n t , f u n g a l , a n d s l i m e m o l d ( u n p u b l i s h e dd a t a . I t i s u n c e r t a i n w h a t a n c e s t r a l o r g a n i s m i n t h e s y m b i o s i st h a t p r o d u c e d t h e e u k a r y o t i c c e l l t h i s R NA r e p r e s e n t s . I f t h e r eh a d b e e n a n e n g u l f i n g s p e c i e s 1 i n r e l a t i o n t o w h i c h a l l t h eo t h e r o r g a n i s m s w e r e e n d o s y m b i o n t s , t h e n i t s e e m s l i k e l y t h a t1 8 S rRNA r e p r e s e n t s t h a t s p e c i e s . T h i s h y p o t h e t i c a l g r o u p o fo r g a n i s m s , i n o n e s e n s e t h e m a j o r a n c e s t o r s o f e u k a r y o t i c c e l l s ,m i g h t a p p r o p r i a t e l y b e c a l l e d u r k a r y o t e s . D e t a i l e d s t u d y o fa n a e r o b i c a m o e b a e a n d t h e l i k e 1 8 , w h i c h s e e m n o t t o c o n t a i nm i t o c h o n d r i a a n d i n g e n e r a l a r e c y t o l o g i c a l l y s i m p l e r t h a nc u s t o m a r y e x a m p l e s o f e u k a r y o t e s , m i g h t h e l p t o r e s o l v e t h i sq u e s t i o n .E u b a c t e r i a a n d u r k a r y o t e s c o r r e s p o n d a p p r o x i m a t e l y t o t h ec o n v e n t i o n a l c a t e g o r i e s p r o k a r y o t e a n d e u k a r y o t e w h e nt h e y a r e u s e d i n a p h y l o g e n e t i c s e n s e . H o w e v e r , t h e y d o n o tc o n s t i t u t e a d i c h o t o m y ; t h e y d o n o t c o l l e c t i v e l y e x h a u s t t h e c l a s so f l i v i n g s y s t e m s . T h e r e e x i s t s a t h i r d k i n g d o m w h i c h , t o d a t e ,i s r e p r e s e n t e d s o l e l y b y t h e m e t h a n o g e n i c b a c t e r i a , a r e l a t i v e l yu n k n o w n c l a s s o f a n a e r o b e s t h a t p o s s e s s a u n i q u e m e t a b o l i s mb a s e d o n t h e r e d u c t i o n o f c a r b o n d i o x i d e t o m e t h a n e ( 1 9 - 2 1 ) .T h e s e b a c t e r i a a p p e a r t o b e n o m o r e r e l a t e d t o t y p i c a l

b a c t e r i a t h a n t h e y a r e t o e u k a r y o t i c c y t o p l a s m s . A l t h o u g h t h et w o d i v i s i o n s o f t h i s k i n g d o m a p p e a r a s r e m o t e f r o m o n e a n -o t h e r a s b l u e - g r e e n a l g a e a r e f r o m o t h e r e u b a c t e r i a , t h e yn e v e r t h e l e s s c o r r e s p o n d t o t h e s a m e b i o c h e m i c a l p h e n o t y p e .T h e a p p a r e n t a n t i q u i t y o f t h e m e t h a n o g e n i c p h e n o t y p e p l u st h e f a c t t h a t i t s e e m s w e l l s u i t e d t o t h e t y p e o f e n v i r o n m e n tp r e s u m e d t o e x i s t o n e a r t h 3 - 4 b i l l i o n y e a r s a g o l e a d u s t e n t a -t i v e l y t o n a m e t h i s u r k i n g d o m t h e a r c h a e b a c t e r i a . W h e t h e r o rn o t o t h e r b i o c h e m i c a l l y d i s t i n c t p h e n o t y p e s e x i s t i n t h i s k i n g -d o m i s c l e a r l y a n i m p o r t a n t q u e s t i o n u p o n w h i c h m a y t u r n o u rc o n c e p t o f t h e n a t u r e a n d a n c e s t r y o f t h e f i r s t p r o k a r y o t e s .T a b l e 1 s h o w s t h e t h r e e u r k i n g d o m s t o b e e q u i d i s t a n t f r o m

o n e a n o t h e r . B e c a u s e t h e d i s t a n c e s m e a s u r e d a r e a c t u a l l yp r o p o r t i o n a l t o n u m b e r s o f m u t a t i o n s a n d n o t n e c e s s a r i l y t ot i m e , i t c a n n o t b e p r o v e n t h a t t h e t h r e e l i n e s o f d e s c e n tb r a n c h e d f r o m t h e common a n c e s t r a l l i n e a t a b o u t t h e s a m et i m e . O n e o f t h e t h r e e m a y r e p r e s e n t a f a r e a r l i e r b i f u r c a t i o nt h a n t h e o t h e r t w o , m a k i n g t h e r e i n e f f e c t o n l y t w o u r k i n g d o m s .O f t h e t h r e e p o s s i b l e u n e q u a l b r a n c h i n g p a t t e r n s t h e c a s e f o rw h i c h t h e i n i t i a l b i f u r c a t i o n d e f i n e s u r k a r y o t e s v s . a l l b a c t e r i ar e q u i r e s f u r t h e r c o m m e n t b e c a u s e , a s w e h a v e s e e n , t h e r e i s ap r e d i l e c t i o n t o a c c e p t s u c h a d i c h o t o m y .T h e p h e n o t y p e o f t h e m e t h a n o g e n s , a l t h o u g h o s t e n s i b l y b a c t e r i a l , o n c l o s e s c r u t i n y g i v e s n o i n d i c a t i o n o f a s p e c i f i cp h y l o g e n e t i c r e s e m b l a n c e t o t h e e u b a c t e r i a . F o r e x a m p l e ,m e t h a n o g e n s d o h a v e c e l l w a l l s , b u t t h e s e d o n o t c o n t a i n p e p -t i d o g l y c a n 2 4 . T h e b i o c h e m i s t r y o f m e t h a n e f o r m a t i o n a p -p e a r s t o i n v o l v e t o t a l l y u n i q u e c o e n z y m e s ( 2 3 , 2 5 , 2 6 ) . T h em e t h a n o g e n r R N A s a r e c o m p a r a b l e i n s i z e t o t h e i r e u b a c t e r i a lc o u n t e r p a r t s , b u t r e s e m b l e t h e l a t t e r s p e c i f i c a l l y i n n e i t h e rs e q u e n c e ( T a b l e 1 n o r i n t h e i r p a t t e r n o f b a s e m o d i f i c a t i o n 2 3 . T h e t R N A s f r o m e u b a c t e r i a a n d e u k a r y o t e s a r e c h a r a c -t e r i z e d b y a c o m m o n m o d i f i e d s e q u e n c e , T * C G ; m e t h a n o g e n sm o d i f y t h i s t R N A s e q u e n c e i n a q u i t e d i f f e r e n t a n d u n i q u e w a y 2 3 . I t m u s t b e r e c o g n i z e d t h a t v e r y l i t t l e i s k n o w n o f t h eg e n e r a l b i o c h e m i s t r y o f t h e m e t h a n o g e n s - a n d a l m o s t n o t h i n gi s k n o w n r e g a r d i n g t h e i r m o l e c u l a r b i o l o g y . H e n c e , a l t h o u g ht h e a b o v e p o i n t s a r e f e w i n n u m b e r , t h e y r e p r e s e n t m o s t o fw h a t i s n o w k n o w n . T h e r e i s n o r e a s o n a t p r e s e n t t o c o n s i d e rm e t h a n o g e n s a s a n y c l o s e r t o e u b a c t e r i a t h a n t o t h e c y t o -p l a s m i c c o m p o n e n t o f t h e e u k a r y o t e . B o t h i n t e r m s o f rRNAs e q u e n c e m e a s u r e m e n t a n d i n t e r m s o f g e n e r a l p h e n o t y p i cd i f f e r e n c e s , t h e n , t h e t h r e e g r o u p i n g s a p p e a r t o b e d i s t i n c tu r k i n g d o m s .I f a t h i r d u r k i n g d o m e x i s t s , d o e s t h i s s u g g e s t t h a t m a n y m o r es u c h w i l l b e f o u n d a m o n g y e t t o b e c h a r a c t e r i z e d o r g a n i s m s ?W e t h i n k n o t , a l t h o u g h t h e m a t t e r c l e a r l y r e q u i r e s a n e x h a u s -t i v e s e a r c h . A s s e e n a b o v e , t h e n u m b e r o f s p e c i e s t h a t c a n b ec l a s s i f i e d a s e u b a c t e r i a i s m o d e r a t e l y l a r g e . T o t h i s l i s t c a n b ea d d e d S p i r i l l u m a n d D e s u l f o v i b r i o , w h o s e r R N A s a p p e a rt y p i c a l l y e u b a c t e r i a l b y n u c l e i c a c i d h y b r i d i z a t i o n m e a s u r e -m e n t s 2 7 . B e c a u s e t h e l i s t i s a l s o p h e n o t y p i c a l l y d i v e r s e , i ts e e m s u n l i k e l y t h a t m a n y , i f a n y , o f t h e y e t u n c h a r a c t e r i z e d

E v o l u t i o n : W o e s e a n d F o x

8/12/2019 The primary kingdoms

3/3

5 0 9 0 E v o l u t i o n : W o e s e a n d F o xp r o k a r y o t i c g r o u p s w i l l b e s h o w n t o h a v e c o e q u a l s t a t u s w i t ht h e p r e s e n t t h r e e . C o n c e i v a b l y t h e h a l o p h i l e s w h o s e c e l l w a l l sc o n t a i n n o p e p t i d o g l y c a n , a r e c a n d i d a t e s f o r t h i s d i s t i n c t i o n( 2 8 , 2 9 ) .E u k a r y o t i c o r g a n e l l e s , h o w e v e r , c o u l d b e a d i f f e r e n t m a t t e r .T h e r e c a n b e n o d o u b t t h a t t h e c h l o r o p l a s t i s o f s p e c i f i c e u -b a c t e r i a l o r i g i n 3 , 4 . A q u e s t i o n a r i s e s w i t h t h e r e m a i n i n go r g a n e l l e s a n d s t r u c t u r e s . M i t o c h o n d r i a , f o r e x a m p l e , d o n o tc o n f o r m w e l l t o a t y p i c a l l y p r o k a r y o t i c p h e n o t y p e , w h i c hh a s l e d s o m e t o c o n c l u d e t h a t t h e y c o u l d n o t h a v e a r i s e n a se n d o s y m b i o n t s 3 0 . B y u s i n g p r o k a r y o t e i n a p h y l o g e n e t i cs e n s e , t h i s f o r m u l a t i o n o f t h e i s s u e d o e s n o t r e c o g n i z e a t h i r da l t e r n a t i v e - t h a t t h e o r g a n e l l e i n q u e s t i o n a r o s e e n d o s y m -b i o t i c a l l y f r o m a s e p a r a t e l i n e o f d e s c e n t w h o s e p h e n o t y p e i sn o t t y p i c a l l y p r o k a r y o t i c i . e . , e u b a c t e r i a l ) . I t i s t h u s c o n -c e i v a b l e t h a t s o m e e n d o s y m b i o t i c a l l y f o r m e d s t r u c t u r e s r e p -r e s e n t s t i l l o t h e r m a j o r p h y l o g e n e t i c g r o u p s ; s o m e c o u l d e v e nb e t h e o n l y e x t a n t r e p r e s e n t a t i o n t h e r e o f .T h e q u e s t i o n t h a t r e m a i n s t o b e a n s w e r e d i s w h e t h e r t h ec o m m o n a n c e s t o r o f a l l t h r e e m a j o r l i n e s o f d e s c e n t w a s i t s e l fa p r o k a r y o t e . I f n o t , e a c h u r k i n g d o m r e p r e s e n t s a n i n d e p e n d e n te v o l u t i o n o f t h e p r o k a r y o t i c l e v e l o f o r g a n i z a t i o n . O b v i o u s l y ,m u c h m o r e n e e d s t o b e k n o w n a b o u t t h e g e n e r a l p r o p e r t i e s o fa l l t h e u r k i n g d o m s b e f o r e t h i s m a t t e r c a n b e d e f i n i t e l y s e t t l e d .A t p r e s e n t w e c a n p o i n t t o t w o a r g u m e n t s s u g g e s t i n g t h a t e a c hu r k i n g d o m d o e s r e p r e s e n t a s e p a r a t e e v o l u t i o n o f t h e p r o k a r -y o t i c l e v e l o f o r g a n i z a t i o n .T h e f i r s t a r g u m e n t c o n c e r n s t h e s t a b i l i t y o f t h e g e n e r a lp h e n o t y p e s . T h e g e n e r a l e u b a c t e r i a l p h e n o t y p e h a s b e e n s t a b l ef o r a t l e a s t 3 b i l l i o n y e a r s - i . e . , t h e a p p a r e n t a g e o f b l u e - g r e e na l g a e 3 1 . T h e m e t h an o g e n i c p h e no t y p e s e e m s t o b e a t l e a s tt h i s o l d i n t h a t b r a n c h i n g s w i t h i n t h e t w o u r k i n g d o m s a r ec o m p a r a b l y d e e p ( s e e T a b l e 1 . T h e t i m e a v a i l a b l e t o f o r m e a c hp h e n o t y p e ( f r o m t h e i r c o m m o n a n c e s t o r ) i s t h e n s h o r t b yc o m p a r i s o n , w h i c h s e e m s p a r a d o x i c a l i n t h a t t h e t w o p h e n o -t y p e s a r e s o f u n d a m e n t a l l y d i f f e r e n t . We t h i n k t h a t t h i s o s -t e n s i b l e p a r a d o x i m p l i e s t h a t t h e c o m m o n a n c e s t o r i n t h i s c a s ew a s n o t a p r o k a r y o t e . I t w a s a f a r s i m p l e r e n t i t y ; i t p r o b a b l y d i dn o t e v o l v e a t t h e s l o w r a t e c h a r a c t e r i s t i c o f p r o k a r y o t e s ; i td i d n o t p o s s e s s m a n y o f t h e f e a t u r e s p o s s e s s e d b y p r o k a r y o t e s ,a n d s o t h e s e e v o l v e d i n d e p e n d e n t l y a n d d i f f e r e n t l y i n s e p a r a t el i n e s o f d e s c e n t .T h e s e c o n d a r g u m e n t c o n c e r n s t h e q u a l i t y o f t h e d i f f e r e n c e si n t h e t h r e e g e n e r a l p h e n o t y p e s . I t s e e m s h i g h l y u n l i k e l y , f o re x a m p l e , t h a t d i f f e r e n c e s i n g e n e r a l p a t t e r n s o f b a s e m o d i f i -c a t i o n i n r R N A s a n d t R N A s a r e r e l a t e d t o t h e n i c h e s t h a t o r -g a n i s m s o c c u p y . R a t h e r , d i f f e r e n c e s o f t h i s n a t u r e i m p l y i n -d e p e n d e n t e v o l u t i o n o f t h e p r o p e r t i e s i n q u e s t i o n . I t h a s b e e na r g u e d e l s e w h e r e t h a t f e a t u r e s s u c h a s RNA b a s e m o d i f i c a t i o ng e n e r a l l y r e p r e s e n t t h e f i n a l s t a g e i n t h e e v o l u t i o n o f t r a n s l a t i o n 3 2 . I f t h e s e f e a t u r e s h a v e e v o l v e d s e p a r a t e l y i n t w o l i n e s o fd e s c e n t , t h e i r c o m m o n a n c e s t o r , l a c k i n g t h e m , h a d a m o r er u d i m e n t a r y v e r s i o n o f t h e t r a n s l a t i o n m e c h a n i s m a n d c o n s e -q u e n t l y , c o u l d n o t h a v e b e e n a s c o m p l e x a s a p r o k a r y o t e 6 .

W i t h t h e i d e n t i f i c a t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e u r k i n g -d o m s w e a r e f o r t h e f i r s t t i m e b e g i n n i n g t o s e e t h e o v e r a l lp h y l o g e n e t i c s t r u c t u r e o f t h e l i v i n g w o r l d . I t i s n o t s t r u c t u r e di n a b i p a r t i t e w a y a l o n g t h e l i n e s o f t h e o r g a n i z a t i o n a l l y d i s -s i m i l a r p r o k a r y o t e a n d e u k a r y o t e . R a t h e r , i t i s a t l e a s tt r i p a r t i t e , c o m p r i s i n g i t h e t y p i c a l b a c t e r i a , i i t h e l i n e o fd e s c e n t m a n i f e s t e d i n e u k a r y o t i c c y t o p l a s m s , a n d i i i a l i t t l e

e x p l o r e d g r o u p i n g , r e p r e s e n t e d s o f a r o n l y b y m e t h a n o g e n i cb a c t e r i a .T h e i d e a s e x p r e s s e d h e r e i n s t e m f r o m r e s e a r c h s u p p o r t e d b y t h eN a t i o n a l A e r o n a u t i c s a n d S p a c e A d m i n i s t r a t i o n a n d t h e N a t i o n a lS c i e n c e F o u n d a t i o n . W e a r e g r a t e f u l t o a n u m b e r o f c o l l e a g u e s w h oh a v e h e l p e d t o g e n e r a t e t h e y e t u n p u b l i s h e d d a t a t h a t m a k e t h e s es p e c u l a t i o n s p o s s i b l e : W i l l i a m B a l c h , R i c h a r d B l a k e m o r e , L i n d a B o n e n ,T r i s t a n D y e r , J a n e G i b s o n , R a m e s h G u p t a , R o b e r t H e s p e l l , B o b b y J o eL e w i s , K e n n e t h L u e h r s e n , L i n d a M a g r u m , J a c k M a n i l o f f , NormanP a c e , M i t c h e l S o g i n , S t e p h a n S o g i n , D a v i d S t a h l , R a l p h T a n n e r ,T h o m a s W a l k e r , R a l p h W o l f e , a n d L a w r e n c e Z a b l e n . We t h a n k L i n d aMagrum a n d D a v id N a n n e y f o r s u g g e s t i n g t h e name a r c h a e b a c t e -r i a .

1 . S t a n i e r , R . Y . ( 1 9 7 0 ) S y m p . S o c . G e n . M i c r o b i o l . 2 0 , 1 - 3 8 .2 . M a r g u l i s , L . ( 1 9 7 0 ) O r i g i n o f E u c a r y o t i c C e l l s ( Y a l e U n i v e r s i t yP r e s s , New H a v e n ) .3 . Z a b l e n , L . B . , K i s s e l , M . S . , W o e s e , C . R . B u e t o w , D . E . ( 1 9 7 5 )P r o c . N a t l . A c a d . S c i . USA 7 2 , 2 4 1 8 - 2 4 2 2 .4 . B o n e n , L . D o o l i t t l e , W. F . ( 1 9 7 5 ) P r o c . N a t l . A c a d . S c i . USA7 2 , 2 3 1 0 - 2 3 1 4 .5 . B o n e n , L . , C u n n i n g h a m , R . S . , G r a y , M . W . D o o l i t t l e , W. F .( 1 9 7 7 ) N u c l e i c A c i d R e s . 4 , 6 6 3 - 6 7 1 .6 . W o e s e , C . R . F o x , G . E . ( 1 9 7 7 ) J . M o l . E v o l . , i n p r e s s .7 . S n e a t h , P . H . A . S o k a l , R . R . ( 1 9 7 3 ) N u m e r i c a l T a x o n o m y ( W .H . F r ee m a n , S a n F r a n c i s c o ) .8 . Z u c k e r k a n d l , E . P a u l i n g , L . ( 1 9 6 5 ) J . T h e o r . B i o l . 8 , 3 5 7 -3 6 6 .9 . F i t c h , W . M . M a r g o l i a s h , E . ( 1 9 6 7 ) S c i e n c e 1 5 5 , 2 7 9 - 2 8 4 .1 0 . F i t c h , W . M . ( 1 9 7 6 ) J . M o l . E v o l . 8 , 1 3 - 4 0 .1 1 . S o g i n , S . J . , S o g i n , M . L . W o e s e , C . R . ( 1 9 7 2 ) J . M o l . E v o l . 1 ,1 7 3 - 1 8 4 .1 2 . W o e s e , C . R . , F o x , G . E . , Z a b l e n , L . , U c h i d a , T . , B o n e n , L . ,P e c h m a n , K . , L e w i s , B . J . S t a h l , D . ( 1 9 7 5 ) N a t u r e 2 5 4 , 8 3 -8 6 .1 3 . F o x , G . E . , P e c h m a n , K . R . W o e s e , C . R . ( 1 9 7 7 ) I n t . J . S y s t .B a c t e r i o l . 2 7 , 4 4 - 5 7 .1 4 . U c h i d a , T . , B o n e n , L . , S c h a u p , H . W . , L e w i s , B . J Z a b l e n , L . B . W o e s e , C . R . ( 1 9 7 4 ) J . M o l . E v o l . 3 , 6 3 - 7 7 .1 5 . Z a b l e n , L . B . W o e s e , C . R . ( 1 9 7 5 ) J . M o l . E v o l . 5 , 2 5 - 3 4 .1 6 . D o o l i t t l e , W . F . , W o e s e , C . R . , S o g i n , M . L . , B o n e n , L . S t a h l ,D . ( 1 9 7 5 ) J . M o l . E v o l . 4 , 3 0 7 - 3 1 5 .1 7 . P e c h m a n , K . J . , L e w i s , B . J W o e s e , C . R . ( 1 9 7 6 ) I n t . J . S y s t .B a c t e r i o l . 2 6 , 3 0 5 - 3 1 0 .1 8 . B o v e e , E . C . J a h n , T . L . ( 1 9 7 3 ) i n T h e B i o l o g y o f A m o e b a , e d .J e o n , K . W . ( A c a d e m i c P r e s s , New Y o r k ) , p . 3 8 .1 9 . W o l f e , R . S . ( 1 9 7 2 ) A d v . M i c r o b i o l . P h y s . 6 , 1 0 7 - 1 4 6 .2 0 . Z e i k u s , J . G . ( 1 9 7 7 ) B a c t e r i o l . R e v . 4 1 , 5 1 4 - 5 4 1 .2 1 . Z e i k u s , J . G . B o w e n , V . G . ( 1 9 7 5 ) C a n . J . M i c r o b i o l . 2 1 ,1 2 1 - 1 2 9 .2 2 . B a l c h , W . E . , M a g r u m , L . J F o x , G . E . , W o l f e , R . S . W o e s e ,C . R . ( 1 9 7 7 ) J . M o l . E v o l . , i n p r e s s .2 3 . F o x , G . E . , M a g r u m , L . J . , B a l c h , W . E . , W o l f e , R . S . W o e s e ,C . R . ( 1 9 7 7 ) P r o c . N a t l . A c a d . S c i . U S A , 7 4 , 4 5 3 7 - 4 5 4 1 .2 4 . K a n d l e r , 0 . H i p p e , H . ( 1 9 7 7 ) A r c h . M i c r o b i o l . 1 1 3 , 5 7 - 6 0 .2 5 . T a y l o r , C . D . W o l f e , R . S . ( 1 9 7 4 ) J . B i o l . C h e m . 2 4 9 , 4 8 7 9 -4 8 8 5 .2 6 . C h e e s e m a n , P . , T o m s - W o o d , A . W o l f e , R . S . ( 1 9 7 2 ) J . B a c -t e r i o l . 1 1 2 , 5 2 7 - 5 3 1 .2 7 . P a c e , B . C a m p b e l l , L . L . ( 1 9 7 1 ) J . B a c t e r i o l . 1 0 7 , 5 4 3 - 5 4 7 .2 8 . B r o w n , A . D . C h o , K . Y . ( 1 9 7 0 ) J . G e n . M i c r o b i o l . 6 2 , 2 6 7 -2 7 0 .2 9 . R e i s t a d , R . ( 1 9 7 2 ) A r c h . M i k r o b i o l . 8 2 , 2 4 - 3 0 .3 0 . R a f f , R . A . M a h l e r , H . R . ( 1 9 7 3 ) S c i e n c e 1 8 0 , 5 1 7 - 5 2 1 .3 1 . S h o p f , J . W. ( 1 9 7 2 ) E x o b i o l o g y - F r o n t i e r s o f B i o l o g y ( N o r t hH o l l a n d , A m s t e r d a m ) , V o l . 2 3 , p p . 1 6 - 6 1 .3 2 . W o e s e , C . R . ( 1 9 7 0 ) S y m p . S o c . G e n . M i c r o b i o l . 2 0 , 3 9 - 5 4 .

P r o c . N a t l . A c a d . S c i . USA 7 4 1 9 7 7