DNA–DNA hybridization (DDH) values have been used by bacterial taxonomists since the 1960s to determine relatedness between strains and are still the most important criterion in the delineation of bacterial species. Since the extent of hybridization between a pair of strains is ultimately governed by their respective genomic sequences, we examined the quantitative relationship between DDH values and genome sequence-derived parameters, such as the average nucleotide identity (ANI) of common genes and the percentage of conserved DNA. A total of 124 DDH values were determined for 28 strains for which genome sequences were available. The strains belong to six important and diverse groups of bacteria for which the intra-group 16S rRNA gene sequence identity was greater than 94 %. The results revealed a close relationship between DDH values and ANI and between DNA–DNA hybridization and the percentage of conserved DNA for each pair of strains. The recommended cut-off point of 70 % DDH for species delineation corresponded to 95 % ANI and 69 % conserved DNA. When the analysis was restricted to the protein-coding portion of the genome, 70 % DDH corresponded to 85 % conserved genes for a pair of strains. These results reveal extensive gene diversity within the current concept of ‘species’. Examination of reciprocal values indicated that the level of experimental error associated with the DDH method is too high to reveal the subtle differences in genome size among the strains sampled. It is concluded that ANI can accurately replace DDH values for strains for which genome sequences are available.

Abstract A fundamental question in microbiology is whether there is continuum of genetic diversity among genomes, or clear species boundaries prevail instead. Whole-genome similarity metrics such as Average Nucleotide Identity (ANI) help address this question by facilitating high resolution taxonomic analysis of thousands of genomes from diverse phylogenetic lineages. To scale to available genomes and beyond, we present FastANI, a new method to estimate ANI using alignment-free approximate sequence mapping. FastANI is accurate for both finished and draft genomes, and is up to three orders of magnitude faster compared to alignment-based approaches. We leverage FastANI to compute pairwise ANI values among all prokaryotic genomes available in the NCBI database. Our results reveal clear genetic discontinuity, with 99.8% of the total 8 billion genome pairs analyzed conforming to >95% intra-species and <83% inter-species ANI values. This discontinuity is manifested with or without the most frequently sequenced species, and is robust to historic additions in the genome databases.

To help advance the species definition for prokaryotes, we have compared the gene content of 70 closely related and fully sequenced bacterial genomes to identify whether species boundaries exist, and to determine the role of the organism's ecology on its shared gene content. We found the average nucleotide identity (ANI) of the shared genes between two strains to be a robust means to compare genetic relatedness among strains, and that ANI values of approximately 94% corresponded to the traditional 70% DNA-DNA reassociation standard of the current species definition. At the 94% ANI cutoff, current species includes only moderately homogeneous strains, e.g., most of the >4-Mb genomes share only 65-90% of their genes, apparently as a result of the strains having evolved in different ecological settings. Furthermore, diagnostic genetic signatures (boundaries) are evident between groups of strains of the same species, and the intergroup genetic similarity can be as high as 98-99% ANI, indicating that justifiable species might be found even among organisms that are nearly identical at the nucleotide level. Notably, a large fraction, e.g., up to 65%, of the differences in gene content within species is associated with bacteriophage and transposase elements, revealing an important role of these elements during bacterial speciation. Our findings are consistent with a definition for species that would include a more homogeneous set of strains than provided by the current definition and one that considers the ecology of the strains in addition to their evolutionary distance.

ABSTRACT The ranks higher than the species in the prokaryotic taxonomy are primarily designated based on phylogenetic analysis of the 16S rRNA gene sequences, but no definite standards exist for the absolute relatedness (measured by 16S rRNA or other means) between the ranks. Accordingly, it remains unknown how comparable the ranks are between different organisms. To gain insights into this question, we studied the relationship between shared gene content and genetic relatedness for 175 fully sequenced strains, using as a robust measure of relatedness the average amino acid identity (AAI) of the shared genes. Our results reveal that adjacent ranks (e.g., phylum versus class) frequently show extensive overlap in terms of genetic and gene content relatedness of the grouped organisms, and hence, the current system is of limited predictive power in this respect. The overlap between nonadjacent ranks (e.g., phylum versus family) is generally limited and attributable to clear inconsistencies of the taxonomy. In addition to providing means for standardizing taxonomy, our AAI-based approach provides a means to evaluate the robustness of alternative genetic markers for phylogenetic purposes. For instance, the 23S rRNA gene was found to be as good a marker as the 16S rRNA gene, while several of the widely distributed protein-coding genes, such as the RNA polymerase and gyrase subunits, show a strong phylogenetic signal, albeit less strong than the rRNA genes (0.78 > R 2 > 0.69 for the protein-coding genes versus R 2 = 0.84 for the rRNA genes). The AAI approach outlined here could contribute significantly to a genome-based taxonomy for all microbial organisms.

Increased sequencing of microbial genomes has revealed that prevailing prokaryotic species assignments can be inconsistent with whole genome information for a significant number of species. The long-standing need for a systematic and scalable species assignment technique can be met by the genome-wide Average Nucleotide Identity (gANI) metric, which is widely acknowledged as a robust measure of genomic relatedness. In this work, we demonstrate that the combination of gANI and the alignment fraction (AF) between two genomes accurately reflects their genomic relatedness. We introduce an efficient implementation of AF,gANI and discuss its successful application to 86.5M genome pairs between 13,151 prokaryotic genomes assigned to 3032 species. Subsequently, by comparing the genome clusters obtained from complete linkage clustering of these pairs to existing taxonomy, we observed that nearly 18% of all prokaryotic species suffer from anomalies in species definition. Our results can be used to explore central questions such as whether microorganisms form a continuum of genetic diversity or distinct species represented by distinct genetic signatures. We propose that this precise and objective AF,gANI-based species definition: the MiSI (Microbial Species Identifier) method, be used to address previous inconsistencies in species classification and as the primary guide for new taxonomic species assignment, supplemented by the traditional polyphasic approach, as required.

Whether bacterial species exist as a natural unit remains an unresolved issue, one with important practical challenges, including that of correctly identifying microorganisms and diagnosing the causative agents of microbial diseases. The current bacterial species definition is based on genetic and phenotypic distinctiveness of organisms grouped under the same name.

The great majority of microbial species remains uncultured, severely limiting their taxonomic characterization and thus communication among scientists. Although Candidatus was devised as a provisional category to classify uncultured taxa, it has not been widely accepted owing to technical limitations and lack of priority of Candidatus names in the official nomenclature. High-throughput sequencing provides the potential for data-rich taxonomic descriptions of uncultivated microbes, comparable in quality to those of cultured organisms. In order to fully realize this potential, standards and guidelines on how to perform these descriptions are needed. Here we aimed to outline these standards and draw the roadmap for a new genome-based taxonomy that, at least initially, would be parallel but highly convergent to the one in existence for isolates. In particular, we recommend the use of DNA genome sequences, recovered by population binning or single-cell techniques, as the basis for (i) identification and phylogenetic placement, (ii) bioinformatics-based functional and thus phenotypic predictions, as well as (iii) type material. We also recommend the implementation of an independent nomenclatural system for uncultivated taxa, following the same nomenclature rules as those for cultured Bacteria and Archaea but with its own list of validly published names. If widely adopted, this system will not only facilitate a comprehensive characterization of the 'uncultivated majority', but also provide a unified catalogue of validly published names, thereby avoiding synonyms and confusion. We also suggest that a committee of experts, supported by an international microbiological society, should be formed to govern the new classification system.

Agricultural and industrial practices more than doubled the intrinsic rate of terrestrial N fixation over the past century with drastic consequences, including increased atmospheric nitrous oxide (N(2)O) concentrations. N(2)O is a potent greenhouse gas and contributor to ozone layer destruction, and its release from fixed N is almost entirely controlled by microbial activities. Mitigation of N(2)O emissions to the atmosphere has been attributed exclusively to denitrifiers possessing NosZ, the enzyme system catalyzing N(2)O to N(2) reduction. We demonstrate that diverse microbial taxa possess divergent nos clusters with genes that are related yet evolutionarily distinct from the typical nos genes of denitirifers. nos clusters with atypical nosZ occur in Bacteria and Archaea that denitrify (44% of genomes), do not possess other denitrification genes (56%), or perform dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA; (31%). Experiments with the DNRA soil bacterium Anaeromyxobacter dehalogenans demonstrated that the atypical NosZ is an effective N(2)O reductase, and PCR-based surveys suggested that atypical nosZ are abundant in terrestrial environments. Bioinformatic analyses revealed that atypical nos clusters possess distinctive regulatory and functional components (e.g., Sec vs. Tat secretion pathway in typical nos), and that previous nosZ-targeted PCR primers do not capture the atypical nosZ diversity. Collectively, our results suggest that nondenitrifying populations with a broad range of metabolisms and habitats are potentially significant contributors to N(2)O consumption. Apparently, a large, previously unrecognized group of environmental nosZ has not been accounted for, and characterizing their contributions to N(2)O consumption will advance understanding of the ecological controls on N(2)O emissions and lead to refined greenhouse gas flux models.

This study explored the short-term planktonic microbial community structure and resilience in Lake Lanier (GA, USA) while simultaneously evaluating the technical aspects of identifying taxa via 16S rRNA gene amplicon and metagenomic sequence data. 16S rRNA gene amplicons generated from four temporally discrete samples were sequenced with 454 GS-FLX-Ti yielding ∼40,000 rRNA gene sequences from each sample and representing ∼300 observed OTUs. Replicates obtained from the same biological sample clustered together but several biases were observed, linked to either the PCR or sequencing-preparation steps. In comparisons with companion whole-community shotgun metagenome datasets, the estimated number of OTUs at each timepoint was concordant, but 1.5 times and ∼10 times as many phyla and genera, respectively, were identified in the metagenomes. Our analyses showed that the 16S rRNA gene captures broad shifts in community diversity over time, but with limited resolution and lower sensitivity compared to metagenomic data. We also identified OTUs that showed marked shifts in abundance over four close timepoints separated by perturbations and tracked these taxa in the metagenome vs. 16S rRNA amplicon data. A strong summer storm had less of an effect on community composition than did seasonal mixing, which revealed a distinct succession of organisms. This study provides insights into freshwater microbial communities and advances the approaches for assessing community diversity and dynamics in situ.

Six obligately anaerobic bacterial isolates (195 T , CBDB1, BAV1, VS, FL2 and GT) with strictly organohalide-respiring metabolisms were obtained from chlorinated solvent-contaminated aquifers, contaminated and uncontaminated river sediments or anoxic digester sludge. Cells were non-motile with a disc-shaped morphology, 0.3–1 µm in diameter and 0.1–0.2 µm thick, and characteristic indentations on opposite flat sides of the cell. Growth occurred in completely synthetic, reduced medium amended with a haloorganic electron acceptor (mostly chlorinated but also some brominated compounds), hydrogen as electron donor, acetate as carbon source, and vitamins. No other growth-supporting redox couples were identified. Aqueous hydrogen consumption threshold concentrations were <1 nM. Growth ceased when vitamin B 12 was omitted from the medium. Addition of sterile cell-free supernatant of Dehalococcoides -containing enrichment cultures enhanced dechlorination and growth of strains 195 and FL2, suggesting the existence of so-far unidentified stimulants. Dechlorination occurred between pH 6.5 and 8.0 and over a temperature range of 15–35 °C, with an optimum growth temperature between 25 and 30 °C. The major phospholipid fatty acids were 14 : 0 (15.7 mol%), br15 : 0 (6.2 mol%), 16 : 0 (22.7 mol%), 10-methyl 16 : 0 (25.8 mol%) and 18 : 0 (16.6 mol%). Unusual furan fatty acids including 9-(5-pentyl-2-furyl)-nonanoate and 8-(5-hexyl-2-furyl)-octanoate were detected in strains FL2, BAV1 and GT, but not in strains 195 T and CBDB1. The 16S rRNA gene sequences of the six isolates shared more than 98 % identity, and phylogenetic analysis revealed an affiliation with the phylum Chloroflexi and more than 10 % sequence divergence from other described isolates. The genome sizes and G+C contents ranged from 1.34 to 1.47 Mbp and 47 to 48.9 mol% G+C, respectively. Based on 16S rRNA gene sequence comparisons, genome-wide average nucleotide identity and phenotypic characteristics, the organohalide-respiring isolates represent a new genus and species, for which the name Dehalococcoides mccartyi gen. nov., sp. nov. is proposed. Isolates BAV1 ( = ATCC BAA-2100 = JCM 16839 = KCTC 5957), FL2 ( = ATCC BAA-2098 = DSM 23585 = JCM 16840 = KCTC 5959), GT ( = ATCC BAA-2099 = JCM 16841 = KCTC 5958), CBDB1, 195 T ( = ATCC BAA-2266 T = KCTC 15142 T ) and VS are considered strains of Dehalococcoides mccartyi , with strain 195 T as the type strain. The new class Dehalococcoidia classis nov., order Dehalococcoidales ord. nov. and family Dehalococcoidaceae fam. nov. are described to accommodate the new taxon.