Abstract Most microbes on our planet remain uncultured and poorly studied. Recent efforts to catalog their genetic diversity have revealed that a significant fraction of the observed microbial genes are functional and evolutionary untraceable, lacking homologs in reference databases. Despite their potential biological value, these apparently unrelated orphan genes from uncultivated taxa have been routinely discarded in metagenomics surveys. Here, we analyzed a global multi-habitat dataset covering 151,697 medium and high-quality metagenome assembled genomes (MAGs), 5,969 single-amplified genomes (SAGs), and 19,642 reference genomes, and identified 413,335 highly curated novel protein families under strong purifying selection out of previously considered orphan genes. These new protein families, representing a three-fold increase over the total number of prokaryotic orthologous groups described to date, spread out across the prokaryote phylogeny, can span multiple habitats, and are notably overrepresented in recently discovered taxa. By genomic context analysis, we pinpointed thousands of unknown protein families to phylogenetically conserved operons linked to energy production, xenobiotic metabolism and microbial resistance. Most remarkably, we found 980 previously neglected protein families that can accurately distinguish entire uncultivated phyla, classes, and orders, likely representing synapomorphic traits that fostered their divergence. The systematic curation and evolutionary analysis of the unique genetic repertoire of uncultivated taxa opens new avenues for understanding the biology and ecological roles of poorly explored lineages at a global scale.

Summary Microbes are phylogenetically and metabolically diverse. Yet capturing this diversity, assigning functions to host organisms and exploring the biosynthetic potential in natural environments remains challenging. We reconstructed >25,000 draft genomes, including from >2,500 uncharacterized species, from globally-distributed ocean microbial communities, and combined them with ∼10,000 genomes from cultivated and single cells. Mining this resource revealed ∼40,000 putative biosynthetic gene clusters (BGCs), many from unknown phylogenetic groups. Among these, we discovered Candidatus Eudoremicrobiaceae as one of the most biosynthetically diverse microbes detected to date. Discrete transcriptional states structuring natural populations were associated with a potentially niche-partitioning role for BGC products. Together with the characterization of the first Eudoremicrobiaceae natural product, this study demonstrates how microbiomics enables prospecting for candidate bioactive compounds in underexplored microbes and environments.

Abstract Antibiotics are used for fighting pathogens, but also target our commensal bacteria as a side effect, disturbing the gut microbiota composition and causing dysbiosis and disease 1-3 . Despite this well-known collateral damage, the activity spectrum of the different antibiotic classes on gut bacteria remains poorly characterized. Having monitored the activities of >1,000 marketed drugs on 38 representative species of the healthy human gut microbiome 4 , we here characterize further the 144 antibiotics therein, representing all major classes. We determined >800 Minimal Inhibitory Concentrations (MICs) and extended the antibiotic profiling to 10 additional species to validate these results and link to available data on antibiotic breakpoints for gut microbes. Antibiotic classes exhibited distinct inhibition spectra, including generation-dependent effects by quinolones and phylogeny-independence by β-lactams. Macrolides and tetracyclines, two prototypic classes of bacteriostatic protein synthesis inhibitors, inhibited almost all commensals tested. We established that both kill different subsets of prevalent commensal bacteria, and cause cell lysis in specific cases. This species-specific activity challenges the long-standing divide of antibiotics into bactericidal and bacteriostatic, and provides a possible explanation for the strong impact of macrolides on the gut microbiota composition in animals 5-8 and humans 9-11 . To mitigate the collateral damage of macrolides and tetracyclines on gut commensals, we exploited the fact that drug combinations have species-specific outcomes in bacteria 12 and sought marketed drugs, which could antagonize the activity of these antibiotics in abundant gut commensal species. By screening >1,000 drugs, we identified several such antidotes capable of protecting gut species from these antibiotics without compromising their activity against relevant pathogens. Altogether, this study broadens our understanding of antibiotic action on gut commensals, uncovers a previously unappreciated and broad bactericidal effect of prototypical bacteriostatic antibiotics on gut bacteria, and opens avenues for preventing the collateral damage caused by antibiotics on human gut commensals.

Abstract Background Taxonomic profiling is a fundamental task in microbiome research that aims to detect and quantify the relative abundance of microorganisms in biological samples. Available methods using shotgun metagenomic data generally depend on the availability of sequenced and taxonomically annotated reference genomes. However, the majority of microorganisms have not been cultured yet and lack such reference genomes. Thus, a substantial fraction of microbial community members remains unaccounted for during taxonomic profiling of metagenomes, particularly in samples from underexplored environments. To address this issue, we have developed the mOTU profiler, a tool that enables reference genome-independent species-level profiling of metagenomes. As such, it supports the identification and quantification of both “known” and “unknown” species based on a set of select marker genes. Results Here, we present mOTUs3, a command line tool that enables the profiling of metagenomes for >33,000 species-level operational taxonomic units. To achieve this, we leveraged the reconstruction and analysis of >600,000 draft genomes, most of which are metagenome assembled genomes (MAGs), from diverse microbiomes, including soil, freshwater systems, and the gastrointestinal tract of ruminants and other animals, which we found to be greatly underrepresented by reference genomes. Overall, two-thirds of all species-level taxa lacked a reference genome. The cumulative relative abundance of these newly included taxa was low in well-studied microbiomes, such as the human body sites (6-11%). By contrast, they accounted for substantial proportions (ocean, freshwater, soil: 43-63%) or even the vast majority (pig, fish, cattle: 60-80%) of the relative abundance across diverse non-human-associated microbiomes. Using community-developed benchmarks and datasets, we found mOTUs3 to be more accurate than other methods and to be more congruent with 16S rRNA gene-based methods for taxonomic profiling. Furthermore, we demonstrate that mOTUs3 greatly increases the resolution of well-known microbial groups into species-level taxa and helps identify new differentially abundant taxa in comparative metagenomic studies. Conclusions We developed mOTUs3 to enable accurate species-level profiling of metagenomes. Compared to other methods, it provides a more comprehensive view of prokaryotic community diversity, in particular for currently underexplored microbiomes. To facilitate comparative analyses by the research community, it is released with >11,000 precomputed profiles for publicly available metagenomes and is freely available at: https://github.com/motu-tool/mOTUs .

Abstract Current metagenome-assembled human phage catalogs contained mostly fragmented genomes. Here, we developed a vigorous phage detection method involving phage enrichment and long-read sequencing and applied to 135 fecal samples. With ~10 times more efficient in obtaining complete genomes (~34%) than the Gut Virome Database, we identified the first megabasephage (~1.03Mb), and revealed the hidden diversity of the gut phageome including dozens of phages more prevalent than the crAssphages and Gubaphages.

Abstract For decades, marine plankton have been investigated for their capacity to modulate biogeochemical cycles and provide fishery resources. Between the sunlit (epipelagic) layer and the deep dark waters, lies a vast and heterogeneous part of the ocean: the mesopelagic zone. How plankton composition is shaped by environment has been well-explored in the epipelagic but much less in the mesopelagic ocean. Here, we conducted comparative analyses of trans-kingdom community assemblages thriving in the mesopelagic oxygen minimum zone (OMZ), mesopelagic oxic, and their epipelagic counterparts. We identified nine distinct types of intermediate water masses that correlate with variation in mesopelagic community composition. Furthermore, oxygen, NO - and particle flux together appeared as the main drivers governing these communities. Novel taxonomic signatures emerged from OMZ while a global co-occurrence network analysis showed that about 70% of the abundance of mesopelagic plankton groups is organized into three community modules. One module gathers prokaryotes, pico-eukaryotes and Nucleo-Cytoplasmic Large DNA Viruses (NCLDV) from oxic regions, and the two other modules are enriched in OMZ prokaryotes and OMZ pico-eukaryotes, respectively. We hypothesize that OMZ conditions led to a diversification of ecological niches, and thus communities, due to selective pressure from limited resources. Our study further clarifies the interplay between environmental factors in the mesopelagic oxic and OMZ, and the compositional features of communities.

Abstract Background Alterations of the gut microbiome have been linked to multiple chronic diseases. However, the drivers of such changes remain largely unknown. The oral cavity acts as a major route of exposure to exogenous factors including pathogens, and processes therein may affect the communities in the subsequent compartments of the gastrointestinal tract. Here, we perform strain-resolved, integrated multi-omic analyses of saliva and stool samples collected from eight families with multiple cases of type 1 diabetes mellitus (T1DM). Results We identified distinct oral microbiota mostly reflecting competition between streptococcal species. More specifically, we found a decreased abundance of the commensal Streptococcus salivarius in the oral cavity of T1DM individuals, which is linked to its apparent competition with the pathobiont Streptococcus mutans . The decrease in S. salivarius in the oral cavity was also associated with its decrease in the gut as well as higher abundances in facultative anaerobes including Enterobacteria . In addition, we found evidence of gut inflammation in T1DM as reflected in the expression profiles of the Enterobacteria as well as in the human gut proteome. Finally, we were able to follow transmitted strain-variants from the oral cavity to the gut at the metagenomic, metatranscriptomic and metaproteomic levels, highlighting not only the transfer, but also the activity of the transmitted taxa along the gastrointestinal tract. Conclusions Alterations of the oral microbiome in the context of T1DM impact the microbial communities in the lower gut, in particular through the reduction of “oral-to-gut” transfer of Streptococcus salivarius . Our results indicate that the observed oral-cavity-driven gut microbiome changes may contribute towards the inflammatory processes involved in T1DM. Through the integration of multi-omic analyses, we resolve strain-variant “mouth-to-gut” transfer in a disease context.

The evolutionary origin of metazoan cell types such as neurons, muscles, digestive, and immune cells, remains unsolved. Using whole-body single-cell RNA sequencing in a sponge, an animal without nervous system and musculature, we identify 18 distinct cell types comprising four major families. This includes nitric-oxide sensitive contractile cells, digestive cells active in macropinocytosis, and a family of amoeboid-neuroid cells involved in innate immunity. We uncover presynaptic genes in an amoeboid-neuroid cell type, and postsynaptic genes in digestive choanocytes, suggesting asymmetric and targeted communication. Corroborating this, long neurite-like extensions from neuroid cells directly contact and enwrap choanocyte microvillar collars. Our data indicate a link between neuroid and immune functions in sponges, and suggest that a primordial neuro-immune system cleared intruders and controlled ciliary beating for feeding.

Abstract The fungal component of the human gut microbiome, also known as the mycobiome, plays a vital role in intestinal ecology and human health. Here, we identify and characterize four mycobiome enterotypes using ITS profiling of 3,363 samples from 16 cohorts across three continents, including 572 newly profiled samples from China. These enterotypes exhibit stability across populations and geographical locations and significant correlation with bacterial enterotypes. Particularly, we notice that fungal enterotypes have a strong age preference, where the enterotype dominated by Candida (i.e., fun_C_E enterotype) is enriched in the elderly population and confers an increased risk of multiple diseases associated with compromised intestinal barrier. In addition, bidirectional mediation analysis reveals that the fungi-contributed aerobic respiration pathway associated with fun_C_E enterotype might mediate the association between the compromised intestinal barrier and aging. Teaser As an integral part of the human gut microbiome, the fungi, which co-habit with prokaryotic microbiome in the gut, play important role in the intestinal ecology and human health. Yet, the overall structure of the human gut mycobiome and the inter-individual variation worldwide remain largely unclear. Lai et al. analyzed the fungal profiles of 3,363 samples from 16 cohorts across three continents, and identified four fungal enterotypes that exhibit stability across populations. They found that fungal enterotypes showed age preference, where a Candida dominated enterotype was enriched in the elderly population and confers an increased risk of multiple diseases and more severe compromised intestinal barrier. Furthermore, they determined one fungi-contributed aerobic respiration pathway could mediate the association between the compromised intestinal barrier and aging.

Biogeographical studies have traditionally focused on readily visible organisms, but recent technological advances are enabling analyses of the large-scale distribution of microscopic organisms, whose biogeographical patterns have long been debated1,2. The most prominent global biogeography of marine plankton was derived by Longhurst3 based on parameters principally associated with photosynthetic plankton. Localized studies of selected plankton taxa or specific organismal sizes1,4-7 have mapped community structure and begun to assess the roles of environment and ocean current transport in shaping these patterns2,8. Here we assess global plankton biogeography and its relation to the biological, chemical and physical context of the ocean (the 'seascape') by analyzing 24 terabases of metagenomic sequence data and 739 million metabarcodes from the Tara Oceans expedition in light of environmental data and simulated ocean current transport. In addition to significant local heterogeneity, viral, prokaryotic and eukaryotic plankton communities all display near steady-state, large-scale, size-dependent biogeographical patterns. Correlation analyses between plankton transport time and metagenomic or environmental dissimilarity reveal the existence of basin-scale biological and environmental continua emerging within the main current systems. Across oceans, there is a measurable, continuous change within communities and environmental factors up to an average of 1.5 years of travel time. Modulation of plankton communities during transport varies with organismal size, such that the distribution of smaller plankton best matches Longhurst biogeochemical provinces, whereas larger plankton group into larger provinces. Together these findings provide an integrated framework to interpret plankton community organization in its physico-chemical context, paving the way to a better understanding of oceanic ecosystem functioning in a changing global environment.