Abstract The characterization of microbial communities by metagenomic approaches has been enhanced by recent improvements in short-read sequencing efficiency and assembly algorithms. We describe the results of adding long-read sequencing to the mix of technologies used to assemble a highly complex cattle rumen microbial community, and compare the assembly to current short read-based methods applied to the same sample. Contigs in the long-read assembly were 7-fold longer on average, and contained 7-fold more complete open reading frames (ORF), than the short read assembly, despite having three-fold lower sequence depth. The linkages between long-read contigs, provided by proximity ligation data, supported identification of 188 novel viral-host associations in the rumen microbial community that suggest cross-species infectivity of specific viral strains. The improved contiguity of the long-read assembly also identified 94 antimicrobial resistance genes, compared to only seven alleles identified in the short-read assembly. Overall, we demonstrate a combination of experimental and computational methods that work synergistically to improve characterization of biological features in a highly complex rumen microbial community.

Abstract Antimicrobial resistance (AR) spread is a worldwide health challenge, stemming in large part, from the ability of microbes to share their genetic material through horizontal gene transfer (HGT). Overuse and misuse of antibiotics in clinical settings and in food production have been linked to this increased prevalence and spread of AR. Consequently, public health and consumer concerns have resulted in a remarkable recent reduction in antibiotics used for food animal production. This is driven by the assumption that removing this selective pressure will favor the recovery of antibiotic susceptible taxa and will limit AR sharing through HGT, allowing the currently available antibiotic arsenal to be effective for a longer period. In this study we used broiler chicks raised antibiotic-free and Salmonella enterica serovar Heidelberg (SH), as a model food pathogen, to test this hypothesis. Our results show that neonatal broiler chicks challenged with an antibiotic susceptible SH strain and raised without antibiotics carried susceptible and multidrug resistance SH strains 14 days after challenge. SH infection perturbed the microbiota of broiler chicks and gavaged chicks acquired antibiotic resistant SH at a higher rate. We determined that the acquisition of a plasmid from commensal Escherichia coli population conferred multidrug resistance phenotype to SH recipients and carriage of this plasmid increased the fitness of SH under acidic selection pressure. These results suggest that HGT of AR shaped the evolution of SH and that antibiotic use reduction alone is insufficient to limit antibiotic resistance transfer from commensal bacteria to Salmonella . Importance The reported increase in antibiotic resistant bacteria in humans have resulted in a major shift away from antibiotics use in food animal production. This has been driven by the assumption that removing antibiotics will select for antibiotic susceptible bacterial taxa, and this in turn will allow the currently available antibiotic arsenal to be more effective. This shift in practice has highlighted new questions that need to be answered to assess the effectiveness of antibiotic removal in reducing the spread of antibiotic resistance bacteria. This research demonstrates that antibiotic susceptible Salmonella Heidelberg strains can acquire multidrug resistance from commensal bacteria present in the gut of neonatal broiler chicks, even in the absence of antibiotic selection. We demonstrate that exposure to acidic pH drove the horizontal transfer of antimicrobial resistance plasmids and suggests that simply removing antibiotics from food-animal production might not be sufficient to limit the spread of antimicrobial resistance.

Robustness to both genetic and environmental change is an emergent feature of living systems. Loss of phenotypic robustness can be associated with increased penetrance of genetic variation. In model organisms and in humans, the phenotypic consequences of standing genetic variation can be buffered by the molecular chaperone HSP90. However, it has been argued that HSP90 has the opposite effect on newly introduced genetic variation. To test the buffering effect of HSP90 on new mutations, we introduced vast numbers of mutations into wild-type and HSP90-reduced plants and assessed embryonic lethality and early seedling phenotypes for thousands of offspring. Although the levels of newly introduced mutations were similar in the two backgrounds, the HSP90-reduced plants showed a significantly greater frequency of embryonic lethality and severe phenotypic abnormalities, consistent with higher penetrance and expressivity of newly introduced genetic variation. We further demonstrate that some mutant phenotypes were heritable in an HSP90-dependent manner, and we map candidate HSP90-dependent polymorphisms. Moreover, both sequence and phenotypic analyses of wild-type and HSP90-reduced plants suggest that the HSP90-dependent phenotypes are largely due the newly introduced mutations rather than to an increased mutation rate in HSP90-reduced plants. Taken together, our results support a model in which HSP90 buffers newly introduced mutations, and the phenotypic consequences of such mutations outweigh those of mutations arising de novo in response to HSP90 perturbation.

Plants have evolved elaborate mechanisms controlling developmental responses to environmental stimuli. A particularly important stimulus is temperature. Previous work has identified the interplay of PIF4 and ELF3 as a central circuit underlying thermal responses in Arabidopsis thaliana. However, thermal responses vary widely among strains, possibly offering mechanistic insights into the wiring of this circuit. ELF3 contains a polyglutamine (polyQ) tract that is crucial for ELF3 function and varies in length across strains. Here, we use transgenic analysis to test the hypothesis that natural polyQ variation in ELF3 is associated with the observed natural variation in thermomorphogenesis. We found little evidence that the polyQ tract plays a specific role in thermal responses beyond modulating general ELF3 function. Instead, we made the serendipitous discovery that ELF3 plays a crucial, PIF4-independent role in thermoresponsive flowering under conditions more likely to reflect field conditions. We present evidence that ELF3 acts through the photoperiodic pathway, pointing to a previously unknown symmetry between low and high ambient temperature responses. Moreover, in analyzing two strain backgrounds with vastly different thermal responses, we demonstrate that responses may be shifted rather than fundamentally rewired across strains. Our findings tie together disparate observations into a coherent framework in which multiple pathways converge in accelerating flowering in response to temperature, with some such pathways modulated by photoperiod.

Abstract Short tandem repeats (STRs) are highly mutable genetic elements that often reside in functional genomic regions. The cumulative evidence of genetic studies on individual STRs suggests that STR variation profoundly affects phenotype and contributes to trait heritability. Despite recent advances in sequencing technology, STR variation has remained largely inaccessible across many individuals compared to single nucleotide variation or copy number variation. STR genotyping with short-read sequence data is confounded by (1) the difficulty of uniquely mapping short, low-complexity reads and (2) the high rate of STR amplification stutter. Here, we present MIPSTR, a robust, scalable, and affordable method that addresses these challenges. MIPSTR uses targeted capture of STR loci by single-molecule Molecular Inversion Probes (smMIPs) and a unique mapping strategy. Targeted capture and mapping strategy resolve the first challenge; the use of single molecule information resolves the second challenge. Unlike previous methods, MIPSTR is capable of distinguishing technical error due to amplification stutter from somatic STR mutations. In proof-of-principle experiments, we use MIPSTR to determine germ-line STR genotypes for 102 STR loci with high accuracy across diverse populations of the plant A. thaliana. We show that putatively functional STRs may be identified by deviation from predicted STR variation and by association with quantitative phenotypes. Employing DNA mixing experiments and a mutant deficient in DNA repair, we demonstrate that MIPSTR can detect low-frequency somatic STR variants. MIPSTR is applicable to any organism with a high-quality reference genome and is scalable to genotyping many thousands of STR loci in thousands of individuals.

Short tandem repeat (STR) mutations may be responsible for more than half of the mutations in eukaryotic coding DNA, yet STR variation is rarely examined as a contributor to complex traits. We assess the scope of this contribution across a collection of 96 strains of Arabidopsis thaliana by massively parallel STR genotyping. We found that 95% of examined STRs are polymorphic, with a median of six alleles per STR in these strains. Modest STR expansions are found in most strains, some of which have evident functional effects. For instance, three of six intronic STR expansions are associated with intron retention. Coding STRs are depleted of variation relative to non-coding STRs, consistent with the action of purifying selection, and some STRs show hypervariable patterns consistent with diversifying selection. Finally, we detect dozens of novel STR-phenotype associations that could not be detected with SNPs alone, validating several with follow-up experiments. Our results demonstrate that STRs comprise a large, unascertained reservoir of functionally relevant genomic variation.

Polyurethanes (PU) are the sixth more produced plastics with around 19-million tons/year, but since they are not recyclable they are burned or landfilled, generating ecological damage. To elucidate the mechanisms that landfill microbial communities perform to attack recalcitrant PU plastic, we studied the BP8 community selected by its capability to grow in a water PU dispersion (WPUD) that contains a polyether-polyurethane-acrylate (PE-PU-A) copolymer and xenobiotic additives (N-methyl 2-pyrrolidone, isopropanol and glycol ethers), and performed a proximity ligation-based metagenomic analysis for revealing the community structure and potential biodegradative capacity. Additives were consumed early whereas the copolymer was cleaved throughout the 25-days incubation. BP8 metagenomic deconvolution reconstructed five genomes, three of them from novel species. Genes encoding enzymes for additives biodegradation were predicted. The chemical and physical analysis of the biodegradation process, and the identified biodegradation products show that BP8 cleaves esters, aromatic urethanes, C-C and ether groups by hydrolytic and oxidative mechanisms. The metagenomic analysis allowed to predicting comprehensive metabolic pathways and enzymes that explain the observed PU biodegradation. This is the first study revealing the metabolic potential of a landfill microbial community that thrives within a WPUD system and shows potential for bioremediation of polyurethane- and xenobiotic additives-contaminated sites.

Evolutionary innovation must occur in the context of some genomic background, which limits available evolutionary paths. For example, protein evolution by sequence substitution is constrained by epistasis between residues. In prokaryotes, evolutionary innovation frequently happens by macrogenomic events such as horizontal gene transfer (HGT). Previous work has suggested that HGT can be influenced by ancestral genomic content, yet the extent of such gene-level constraints has not yet been systematically characterized. Here, we evaluated the evolutionary impact of such constraints in prokaryotes, using probabilistic ancestral reconstructions from 634 extant prokaryotic genomes and a novel framework for detecting evolutionary constraints on HGT events. We identified 8,228 directional dependencies between genes, and demonstrated that many such dependencies reflect known functional relationships, including, for example, evolutionary dependencies of the photosynthetic enzyme RuBisCO. Modeling all dependencies as a network, we adapted an approach from graph theory to establish chronological precedence in the acquisition of different genomic functions. Specifically, we demonstrated that specific functions tend to be gained sequentially, suggesting that evolution in prokaryotes is governed by functional assembly patterns. Finally, we showed that these dependencies are universal rather than clade-specific and are often sufficient for predicting whether or not a given ancestral genome will acquire specific genes. Combined, our results indicate that evolutionary innovation via HGT is profoundly constrained by epistasis and historical contingency, similar to the evolution of proteins and phenotypic characters, and suggest that the emergence of specific metabolic and pathological phenotypes in prokaryotes can be predictable from current genomes.

It is widely appreciated that short tandem repeat (STR) variation underlies substantial phenotypic variation in organisms. Some propose that the high mutation rates of STRs in functional genomic regions facilitate evolutionary adaptation. Despite their high mutation rate, some STRs show little to no variation in populations. One such STR occurs in the Arabidopsis thaliana gene PFT1 (MED25), where it encodes an interrupted polyglutamine tract. Though the PFT1 STR is large (~270 bp), and thus expected to be extremely variable, it shows only minuscule variation across A. thaliana strains. We hypothesized that the PFT1 STR is under selective constraint, due to previously undescribed roles in PFT1 function. We investigated this hypothesis using plants expressing transgenic PFT1 constructs with either an endogenous STR or with synthetic STRs of varying length. Transgenic plants carrying the endogenous PFT1 STR generally performed best across adult PFT1-dependent traits. In stark contrast, transgenic plants carrying a PFT1 transgene lacking the STR entirely phenocopied a pft1 loss-of-function mutant for flowering time phenotypes, and were generally hypomorphic for other traits, establishing the functional importance of this domain. Transgenic plants carrying various synthetic constructs occupied the phenotypic space between wild-type and pft1-loss-of-function mutants. By varying PFT1 STR length, we discovered that PFT1 can act as either an activator or repressor of flowering in a photoperiod-dependent manner. We conclude that the PFT1 STR is constrained to its approximate wild-type length by its various functional requirements. Our study implies that there is strong selection on STRs not only to generate allelic diversity, but also to maintain certain lengths pursuant to optimal molecular function.

The assembly of high-quality genomes from mixed microbial samples is a long-standing challenge in genomics and metagenomics. Here, we describe the application of ProxiMeta, a Hi-C-based metagenomic deconvolution method, to deconvolve a human fecal metagenome. This method uses the intra-cellular proximity signal captured by Hi-C as a direct indicator of which sequences originated in the same cell, enabling culture-free de novo deconvolution of mixed genomes without any reliance on a priori information. We show that ProxiMeta deconvolution provides results of markedly high accuracy and sensitivity, yielding 50 near-complete microbial genomes (many of which are novel) from a single fecal sample, out of 252 total genome clusters. ProxiMeta outperforms traditional contig binning at high-quality genome reconstruction. ProxiMeta shows particularly good performance in constructing high-quality genomes for diverse but poorly-characterized members of the human gut. We further use ProxiMeta to reconstruct genome plasmid content and sharing of plasmids among genomes — tasks that traditional binning methods usually fail to accomplish. Our findings suggest that Hi-C-based deconvolution can be useful to a variety of applications in genomics and metagenomics.