The functional composition of microbial community samples from several environments is predicted based on 16S ribosomal RNA gene sequencing data. Profiling phylogenetic marker genes, such as the 16S rRNA gene, is a key tool for studies of microbial communities but does not provide direct evidence of a community's functional capabilities. Here we describe PICRUSt (phylogenetic investigation of communities by reconstruction of unobserved states), a computational approach to predict the functional composition of a metagenome using marker gene data and a database of reference genomes. PICRUSt uses an extended ancestral-state reconstruction algorithm to predict which gene families are present and then combines gene families to estimate the composite metagenome. Using 16S information, PICRUSt recaptures key findings from the Human Microbiome Project and accurately predicts the abundance of gene families in host-associated and environmental communities, with quantifiable uncertainty. Our results demonstrate that phylogeny and function are sufficiently linked that this 'predictive metagenomic' approach should provide useful insights into the thousands of uncultivated microbial communities for which only marker gene surveys are currently available.

STAMP is a graphical software package that provides statistical hypothesis tests and exploratory plots for analysing taxonomic and functional profiles. It supports tests for comparing pairs of samples or samples organized into two or more treatment groups. Effect sizes and confidence intervals are provided to allow critical assessment of the biological relevancy of test results. A user-friendly graphical interface permits easy exploration of statistical results and generation of publication-quality plots.STAMP is licensed under the GNU GPL. Python source code and binaries are available from our website at: http://kiwi.cs.dal.ca/Software/STAMP.

Abstract The Comprehensive Antibiotic Resistance Database (CARD; https://card.mcmaster.ca) is a curated resource providing reference DNA and protein sequences, detection models and bioinformatics tools on the molecular basis of bacterial antimicrobial resistance (AMR). CARD focuses on providing high-quality reference data and molecular sequences within a controlled vocabulary, the Antibiotic Resistance Ontology (ARO), designed by the CARD biocuration team to integrate with software development efforts for resistome analysis and prediction, such as CARD’s Resistance Gene Identifier (RGI) software. Since 2017, CARD has expanded through extensive curation of reference sequences, revision of the ontological structure, curation of over 500 new AMR detection models, development of a new classification paradigm and expansion of analytical tools. Most notably, a new Resistomes & Variants module provides analysis and statistical summary of in silico predicted resistance variants from 82 pathogens and over 100 000 genomes. By adding these resistance variants to CARD, we are able to summarize predicted resistance using the information included in CARD, identify trends in AMR mobility and determine previously undescribed and novel resistance variants. Here, we describe updates and recent expansions to CARD and its biocuration process, including new resources for community biocuration of AMR molecular reference data.

Abstract Motivation: Metagenomics is the study of genetic material recovered directly from environmental samples. Taxonomic and functional differences between metagenomic samples can highlight the influence of ecological factors on patterns of microbial life in a wide range of habitats. Statistical hypothesis tests can help us distinguish ecological influences from sampling artifacts, but knowledge of only the P-value from a statistical hypothesis test is insufficient to make inferences about biological relevance. Current reporting practices for pairwise comparative metagenomics are inadequate, and better tools are needed for comparative metagenomic analysis. Results: We have developed a new software package, STAMP, for comparative metagenomics that supports best practices in analysis and reporting. Examination of a pair of iron mine metagenomes demonstrates that deeper biological insights can be gained using statistical techniques available in our software. An analysis of the functional potential of ‘Candidatus Accumulibacter phosphatis’ in two enhanced biological phosphorus removal metagenomes identified several subsystems that differ between the A.phosphatis stains in these related communities, including phosphate metabolism, secretion and metal transport. Availability: Python source code and binaries are freely available from our website at http://kiwi.cs.dal.ca/Software/STAMP Contact: beiko@cs.dal.ca Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Several bacterial families are known to be highly abundant within the human microbiome, but their ecological roles and evolutionary histories have yet to be investigated in depth. One such family, Lachnospiraceae (phylum Firmicutes, class Clostridia) is abundant in the digestive tracts of many mammals and relatively rare elsewhere. Members of this family have been linked to obesity and protection from colon cancer in humans, mainly due to the association of many species within the group with the production of butyric acid, a substance that is important for both microbial and host epithelial cell growth. We examined the genomes of 30 Lachnospiraceae isolates to better understand the origin of butyric acid capabilities and other ecological adaptations within this group. Butyric acid production-related genes were detected in fewer than half of the examined genomes with the distribution of this function likely arising in part from lateral gene transfer (LGT). An investigation of environment-specific functional signatures indicated that human gut-associated Lachnospiraceae possess genes for endospore formation, whereas other members of this family lack key sporulation-associated genes, an observation supported by analysis of metagenomes from the human gut, oral cavity, and bovine rumen. Our analysis demonstrates that adaptation to an ecological niche and acquisition of defining functional roles within a microbiome can arise through a combination of both habitat-specific gene loss and LGT.

The extent to which lateral genetic transfer has shaped microbial genomes has major implications for the emergence of community structures. We have performed a rigorous phylogenetic analysis of >220,000 proteins from genomes of 144 prokaryotes to determine the contribution of gene sharing to current prokaryotic diversity, and to identify “highways” of sharing between lineages. The inferred relationships suggest a pattern of inheritance that is largely vertical, but with notable exceptions among closely related taxa, and among distantly related organisms that live in similar environments.

Abstract The Comprehensive Antibiotic Resistance Database (CARD; card.mcmaster.ca) combines the Antibiotic Resistance Ontology (ARO) with curated AMR gene (ARG) sequences and resistance-conferring mutations to provide an informatics framework for annotation and interpretation of resistomes. As of version 3.2.4, CARD encompasses 6627 ontology terms, 5010 reference sequences, 1933 mutations, 3004 publications, and 5057 AMR detection models that can be used by the accompanying Resistance Gene Identifier (RGI) software to annotate genomic or metagenomic sequences. Focused curation enhancements since 2020 include expanded β-lactamase curation, incorporation of likelihood-based AMR mutations for Mycobacterium tuberculosis, addition of disinfectants and antiseptics plus their associated ARGs, and systematic curation of resistance-modifying agents. This expanded curation includes 180 new AMR gene families, 15 new drug classes, 1 new resistance mechanism, and two new ontological relationships: evolutionary_variant_of and is_small_molecule_inhibitor. In silico prediction of resistomes and prevalence statistics of ARGs has been expanded to 377 pathogens, 21,079 chromosomes, 2,662 genomic islands, 41,828 plasmids and 155,606 whole-genome shotgun assemblies, resulting in collation of 322,710 unique ARG allele sequences. New features include the CARD:Live collection of community submitted isolate resistome data and the introduction of standardized 15 character CARD Short Names for ARGs to support machine learning efforts.

Microbial marker-gene sequence data can be used to generate comprehensive taxonomic profiles of the microorganisms present in a given community and for other community diversity analyses. The process of going from raw gene sequences to taxonomic profiles or diversity measures involves a series of data transformations performed by numerous computational tools. This includes tools for sequence quality checking, denoising, taxonomic classification, alignment, and phylogenetic tree building. In this chapter, we demonstrate how the Quantitative Insights Into Microbial Ecology version 2 (QIIME2) software suite can simplify 16S rRNA marker-gene analysis. We walk through an example data set extracted from the guts of bumblebees in order to show how QIIME2 can transform raw sequences into taxonomic bar plots, phylogenetic trees, principal co-ordinates analyses, and other visualizations of microbial diversity.

The changes that occur in the microbiome of aging individuals are unclear, especially in light of the imperfect correlation of frailty with age. Studies in older human subjects have reported subtle effects, but these results may be confounded by other variables that often change with age such as diet and place of residence. To test these associations in a more controlled model system, we examined the relationship between age, frailty, and the gut microbiome of female C57BL/6 J mice.The frailty index, which is based on the evaluation of 31 clinical signs of deterioration in mice, showed a near-perfect correlation with age. We observed a statistically significant relationship between age and the taxonomic composition of the corresponding microbiome. Consistent with previous human studies, the Rikenellaceae family, which includes the Alistipes genus, was the most significantly overrepresented taxon within middle-aged and older mice. The functional profile of the mouse gut microbiome also varied with host age and frailty. Bacterial-encoded functions that were underrepresented in older mice included cobalamin (B12) and biotin (B7) biosynthesis, and bacterial SOS genes associated with DNA repair. Conversely, creatine degradation, associated with muscle wasting, was overrepresented within the gut microbiomes of the older mice, as were bacterial-encoded β-glucuronidases, which can influence drug-induced epithelial cell toxicity. Older mice also showed an overabundance of monosaccharide utilization genes relative to di-, oligo-, and polysaccharide utilization genes, which may have a substantial impact on gut homeostasis.We have identified taxonomic and functional patterns that correlate with age and frailty in the mouse microbiome. Differences in functions related to host nutrition and drug pharmacology vary in an age-dependent manner, suggesting that the availability and timing of essential functions may differ significantly with age and frailty. Future work with larger cohorts of mice will aim to separate the effects of age and frailty, and other factors.

Cryptophyte and chlorarachniophyte algae are transitional forms in the widespread secondary endosymbiotic acquisition of photosynthesis by engulfment of eukaryotic algae. Unlike most secondary plastid-bearing algae, miniaturized versions of the endosymbiont nuclei (nucleomorphs) persist in cryptophytes and chlorarachniophytes. To determine why, and to address other fundamental questions about eukaryote–eukaryote endosymbiosis, we sequenced the nuclear genomes of the cryptophyte Guillardia theta and the chlorarachniophyte Bigelowiella natans. Both genomes have >21,000 protein genes and are intron rich, and B. natans exhibits unprecedented alternative splicing for a single-celled organism. Phylogenomic analyses and subcellular targeting predictions reveal extensive genetic and biochemical mosaicism, with both host- and endosymbiont-derived genes servicing the mitochondrion, the host cell cytosol, the plastid and the remnant endosymbiont cytosol of both algae. Mitochondrion-to-nucleus gene transfer still occurs in both organisms but plastid-to-nucleus and nucleomorph-to-nucleus transfers do not, which explains why a small residue of essential genes remains locked in each nucleomorph. Sequencing the nuclear genomes of Guillardia theta and Bigelowiella natans, transitional forms in the endosymbiotic acquisition of photosynthesis by engulfment of certain eukaryotic algae, reveals unprecedented alternative splicing for a single-celled organism (B. natans) and extensive genetic and biochemical mosaicism, shedding light on why nucleomorphs persist in these species but not other algae. This paper presents the sequences of the nuclear genomes of two eukaryotic microbes of remarkable genetic and cellular complexity, Guillardia and Bigelowiella. These algae are transitional forms in the endosymbiotic acquisition of photosynthesis by engulfment of eukaryotic algae, and possess four genomes: mitochondrial and plastid (chloroplast) genomes, a nuclear genome of host origin and a miniaturized 'nucleomorph' genome of endosymbiotic origin. Analyses reveal unprecedented alternative splicing for a single-celled organism, and extensive genetic and biochemical mosaicism. Whereas the mitochondrion-to-nucleus gene transfer continues in both organisms, plastid-to-nucleus and nucleomorph-to-nucleus transfers have ceased, explaining nucleomorph persistence.