Abstract Metagenomic assembly enables novel organism discovery from microbial communities, but from most metagenomes it can only capture few abundant organisms. Here, we present a method - MetaPhlAn 4 - to integrate information from both metagenome assemblies and microbial isolate genomes for improved and more comprehensive metagenomic taxonomic profiling. From a curated collection of 1.01M prokaryotic reference and metagenome-assembled genomes, we defined unique marker genes for 26,970 species-level genome bins, 4,992 of them taxonomically unidentified at the species level. MetaPhlAn 4 explains ∼20% more reads in most international human gut microbiomes and >40% in less-characterized environments such as the rumen microbiome, and proved more accurate than available alternatives on synthetic evaluations while also reliably quantifying organisms with no cultured isolates. Application of the method to >24,500 metagenomes highlighted previously undetected species to be strong biomarkers for host conditions and lifestyles in human and mice microbiomes, and showed that even previously uncharacterized species can be genetically profiled at the resolution of single microbial strains. MetaPhlAn 4 thus integrates the novelty of metagenomic assemblies with the sensitivity and fidelity of reference-based analyses, providing efficient metagenomic profiling of uncharacterized species and enabling deeper and more comprehensive microbiome biomarker detection.

Posttraumatic stress disorder (PTSD) imposes a significant burden on patients and communities. Although the microbiome-gut-brain axis has been proposed as a mediator or moderator of PTSD risk and persistence of symptoms, clinical data directly delineating the gut microbiome's relationship to PTSD are sparse. This study investigated associations between the gut microbiome and mental health outcomes in participants with PTSD (n = 79) and trauma-exposed controls (TECs) (n = 58). Diagnoses of PTSD, major depressive disorder (MDD), and childhood trauma were made using the Clinician-Administered PTSD Scale for DSM-5 (CAPS-5), MINI International Neuropsychiatric Interview (MINI), and Childhood Trauma Questionnaire (CTQ), respectively. Microbial communities from stool samples were profiled using 16S ribosomal RNA gene V4 amplicon sequencing and tested for associations with PTSD-related variables of interest. Random forest models identified a consortium of four genera, i.e., a combination of Mitsuokella, Odoribacter, Catenibacterium, and Olsenella, previously associated with periodontal disease, that could distinguish PTSD status with 66.4% accuracy. The relative abundance of this consortium was higher in the PTSD group and correlated positively with CAPS-5 and CTQ scores. MDD diagnosis was also associated with increased relative abundance of the Bacteroidetes phylum. Current use of psychotropics significantly impacted community composition and the relative abundances of several taxa. Early life trauma may prime the microbiome for changes in composition that facilitate a pro-inflammatory cascade and increase the risk of development of PTSD. Future studies should rigorously stratify participants into healthy controls, TECs, and PTSD (stratified by psychotropic drug use) to explore the role of the oral-gut-microbiome-brain axis in trauma-related disorders.

Although social interactions are known to drive pathogen transmission, the contributions of socially transmissible host-associated mutualists and commensals to host health and disease remain poorly explored. We use the concept of the social microbiome-the microbial metacommunity of a social network of hosts-to analyze the implications of social microbial transmission for host health and disease. We investigate the contributions of socially transmissible microbes to both eco-evolutionary microbiome community processes (colonization resistance, the evolution of virulence, and reactions to ecological disturbance) and microbial transmission-based processes (transmission of microbes with metabolic and immune effects, inter-specific transmission, transmission of antibiotic-resistant microbes, and transmission of viruses). We consider the implications of social microbial transmission for communicable and non-communicable diseases and evaluate the importance of a socially transmissible component underlying canonically non-communicable diseases. The social transmission of mutualists and commensals may play a significant, under-appreciated role in the social determinants of health and may act as a hidden force in social evolution.

Microbial colonization of the neonatal gut involves maternal seeding, which is partially disrupted in cesarean-born infants and after intrapartum antibiotic prophylaxis. However, other physically close individuals could complement such seeding. To assess the role of both parents and of induced seeding, we analyzed two longitudinal metagenomic datasets (health and early life microbiota [HELMi]: N = 74 infants, 398 samples, and SECFLOR: N = 7 infants, 35 samples) with cesarean-born infants who received maternal fecal microbiota transplantation (FMT). We found that the father constitutes a stable source of strains for the infant independently of the delivery mode, with the cumulative contribution becoming comparable to that of the mother after 1 year. Maternal FMT increased mother-infant strain sharing in cesarean-born infants, raising the average bacterial empirical growth rate while reducing pathogen colonization. Overall, our results indicate that maternal seeding is partly complemented by that of the father and support the potential of induced seeding to restore potential deviations in this process.

The composition and maturation of the early-life microbiota are modulated by a number of perinatal factors, whose interplay in relation to microbial vertical transmission remains inadequately elucidated. Using recent strain-tracking methodologies, we analyzed mother-to-infant microbiota transmission in two different birth environments: hospital-born (vaginal/cesarean) and home-born (vaginal) infants and their mothers. While delivery mode primarily explains initial compositional differences, place of birth impacts transmission timing-being early in homebirths and delayed in cesarean deliveries. Transmission patterns vary greatly across species and birth groups, yet certain species, like Bifidobacterium longum, are consistently vertically transmitted regardless of delivery setting. Strain-level analysis of B. longum highlights relevant and consistent subspecies replacement patterns mainly explained by breastfeeding practices, which drive changes in human milk oligosaccharide (HMO) degrading capabilities. Our findings highlight how delivery setting, breastfeeding duration, and other lifestyle preferences collectively shape vertical transmission, impacting infant gut colonization during early life.

ABSTRACT Background Disturbances in the primary colonization of the infant gut can result in life-long consequences and have been associated with a range of host conditions. Although early life factors have been shown to affect the infant gut microbiota development, our current understanding of the human gut colonization in early life remains limited. To gain more insights in the unique dynamics of this rapidly evolving ecosystem, we investigated the microbiota over the first year of life in eight densely sampled infants (total number of samples, n=303). To evaluate gut microbiota maturation transition towards an adult configuration, we compared the microbiome composition of the infants to the Flemish Gut Flora Project population (n=1,106). Results We observed the infant gut microbiota to mature through three distinct, conserved stages of ecosystem development. Across these successional gut microbiota maturation stages, genus predominance was observed to shift from Escherichia over Bifidobacterium to Bacteroides . Both disease and antibiotic treatment were observed to be associated occasionally with gut microbiota maturation stage regression, a transient setback in microbiota maturation dynamics. Although the studied microbiota trajectories evolved to more adult-like constellations, microbiome community typing against the background of the Flemish Gut Flora Project (FGFP) cohort clustered all infant samples within the (in adults) potentially dysbiotic Bact2 enterotype. Conclusion We confirmed similarities between infant gut microbial colonization and adult dysbiosis. A profound knowledge about the primary gut colonization process in infants might provide crucial insights into how the secondary colonization of a dysbiotic adult gut can be redirected.

Diet impacts human health, influencing body adiposity and the risk of developing cardiometabolic diseases. The gut microbiome is a key player in the diet-health axis, but while its bacterial fraction is widely studied, the role of micro-eukaryotes, including Blastocystis, is underexplored. We performed a global-scale analysis on 56,989 metagenomes and showed that human Blastocystis exhibits distinct prevalence patterns linked to geography, lifestyle, and dietary habits. Blastocystis presence defined a specific bacterial signature and was positively associated with more favorable cardiometabolic profiles and negatively with obesity (p < 1e–16) and disorders linked to altered gut ecology (p < 1e–8). In a diet intervention study involving 1,124 individuals, improvements in dietary quality were linked to weight loss and increases in Blastocystis prevalence (p = 0.003) and abundance (p < 1e–7). Our findings suggest a potentially beneficial role for Blastocystis, which may help explain personalized host responses to diet and downstream disease etiopathogenesis.

Abstract Culture-independent analyses of microbial communities have advanced dramatically in the last decade, particularly due to advances in methods for biological profiling via shotgun metagenomics. Opportunities for improvement continue to accelerate, with greater access to multi-omics, microbial reference genomes, and strain-level diversity. To leverage these, we present bioBakery 3, a set of integrated, improved methods for taxonomic, strain-level, functional, and phylogenetic profiling of metagenomes newly developed to build on the largest set of reference sequences now available. Compared to current alternatives, MetaPhlAn 3 increases the accuracy of taxonomic profiling, and HUMAnN 3 improves that of functional potential and activity. These methods detected novel disease-microbiome links in applications to CRC (1,262 metagenomes) and IBD (1,635 metagenomes and 817 metatranscriptomes). Strain-level profiling of an additional 4,077 metagenomes with StrainPhlAn 3 and PanPhlAn 3 unraveled the phylogenetic and functional structure of the common gut microbe Ruminococcus bromii , previously described by only 15 isolate genomes. With open-source implementations and cloud-deployable reproducible workflows, the bioBakery 3 platform can help researchers deepen the resolution, scale, and accuracy of multi-omic profiling for microbial community studies.