Abstract Marine planktonic eukaryotes play a critical role in global biogeochemical cycles and climate. However, their poor representation in culture collections limits our understanding of the evolutionary history and genomic underpinnings of planktonic ecosystems. Here, we used 280 billion Tara Oceans metagenomic reads from polar, temperate, and tropical sunlit oceans to reconstruct and manually curate more than 700 abundant and widespread eukaryotic environmental genomes ranging from 10 Mbp to 1.3 Gbp. This genomic resource covers a wide range of poorly characterized eukaryotic lineages that complement long-standing contributions from culture collections while better representing plankton in the upper layer of the oceans. We performed the first comprehensive genome-wide functional classification of abundant unicellular eukaryotic plankton, revealing four major groups connecting distantly related lineages. Neither trophic modes of plankton nor its vertical evolutionary history could explain the functional repertoire convergence of major eukaryotic lineages that coexisted within oceanic currents for millions of years. Cover Navigating on the map of plankton genomics with Tara Oceans and anvi’o: a comprehensive genome-resolved metagenomic survey dedicated to eukaryotic plankton.

Abstract Genes of unknown function are among the biggest challenges in molecular biology, especially in microbial systems, where 40%-60% of the predicted genes are unknown. Despite previous attempts, systematic approaches to include the unknown fraction into analytical workflows are still lacking. Here, we propose a conceptual framework and a computational workflow that bridge the known-unknown gap in genomes and metagenomes. We showcase our approach by exploring 415,971,742 genes predicted from 1,749 metagenomes and 28,941 bacterial and archaeal genomes. We quantify the extent of the unknown fraction, its diversity, and its relevance across multiple biomes. Furthermore, we provide a collection of 283,874 lineage-specific genes of unknown function for Cand . Patescibacteria, being a significant resource to expand our understanding of their unusual biology. Finally, by identifying a target gene of unknown function for antibiotic resistance, we demonstrate how we can enable the generation of hypotheses that can be used to augment experimental data.

Abstract Genomes and metagenomes contain a considerable percentage of genes of unknown function, which are often excluded from downstream analyses limiting our understanding of the studied biological systems. To address this challenge, we developed AGNOSTOS, a combined database-computational workflow resource that unifies the known and unknown coding sequence space of genomes and metagenomes. Here, we present AGNOSTOS-DB, an extensive database of high-quality gene clusters enriched with functional, ecological and phylogenetic information. Moreover, AGNOSTOS allows integrating new data into existing AGNOSTOS-DBs, maximizing the information retrievable for the genes of unknown function. As a proof of concept, we provide a seed database that integrates the predicted genes from marine and human metagenomes, as well as from Bacteria, Archaea, Eukarya and giant viruses environmental and cultivar genomes. The seed database comprises 6,572,081 gene clusters connecting 342 million genes and represents a comprehensive and scalable resource for the inclusion and exploration of the unknown fraction of genomes and metagenomes.

Abstract Genes that remain hypothetical, uncharacterized, and unannotated comprise a substantial portion of metagenomic datasets and are likely to be particularly prevalent in soils where poorly characterized taxa predominate. Documenting the prevalence, distribution, and potential roles of these genes of unknown function is an important first step to understanding their functional contributions in soil communities. We identified genes of unknown function from 50 soil metagenomes and analyzed their environmental distributions and ecological associations. We found that genes of unknown function are prevalent in soils, particularly fine-textured, higher pH soils that harbor greater abundances of Crenarchaeota, Gemmatimonadota, Nitrospirota , and Methylomirabilota . We identified 43 dominant (abundant and ubiquitous) gene clusters of unknown function and determined their associations with soil microbial phyla and other “known” genes. We found that these dominant unknown genes were commonly associated with microbial phyla that are relatively uncharacterized, with the majority of these dominant unknown genes associated with mobile genetic elements. This work demonstrates a strategy for investigating genes of unknown function in soils, emphasizes the biological insights that can be learned by adopting this strategy, and highlights specific hypotheses that warrant further investigation regarding the functional roles of abundant and ubiquitous genes of unknown function in soil metagenomes.

Abstract DNA viruses have a major influence on the ecology and evolution of cellular organisms, but their overall diversity and evolutionary trajectories remain elusive. Here, we performed a phylogeny-guided genome-resolved metagenomic survey of the sunlit oceans and discovered plankton-infecting relatives of herpesviruses that form a putative new phylum dubbed ‘ Mirusviricota ’. The virion morphogenesis module of this large monophyletic clade is typical of viruses from the realm Duplodnaviria , with the major capsid protein fold being a likely structural intermediate between the capsid proteins of Caudoviricetes (tailed phages) and Herpesvirales (animal-infecting viruses). Yet, a substantial fraction of ‘ Mirusviricota’ genes, including hallmark transcription machinery genes missing in herpesviruses, are closely related homologs of large and giant eukaryotic DNA viruses from another viral realm. The remarkable chimeric attributes of ‘ Mirusviricota ’ provide missing links in the evolution of both herpesviruses and giant viruses. Furthermore, mirusviruses are widespread and transcriptionally active from pole to pole, encoding complex functional traits used during the infection of microbial eukaryotes. The ‘ Mirusviricota ’ prevalence, functional activity, diversification, and atypical evolutionary traits point to a lasting role of mirusviruses in the ecology of marine ecosystems that might have not only predated but also contributed to the emergence of herpesviruses and giant viruses.

A wide variety of human diseases are associated with loss of microbial diversity in the human gut, inspiring a great interest in the diagnostic or therapeutic potential of the microbiota. However, the ecological forces that drive diversity reduction in disease states remain unclear, rendering it difficult to ascertain the role of the microbiota in disease emergence or severity. One hypothesis to explain this phenomenon is that microbial diversity is diminished as disease states select for microbial populations that are more fit to survive environmental stress caused by inflammation or other host factors. Here, we tested this hypothesis on a large scale, by developing a software framework to quantify the enrichment of microbial metabolisms in complex metagenomes as a function of microbial diversity. We applied this framework to over 400 gut metagenomes from individuals who are healthy or diagnosed with inflammatory bowel disease (IBD). We found that high metabolic independence (HMI) is a distinguishing characteristic of microbial communities associated with individuals diagnosed with IBD. A classifier we trained using the normalized copy numbers of 33 HMI-associated metabolic modules not only distinguished states of health versus IBD, but also tracked the recovery of the gut microbiome following antibiotic treatment, suggesting that HMI is a hallmark of microbial communities in stressed gut environments.