Microbes have central roles in ocean food webs and global biogeochemical processes, yet specific ecological relationships among these taxa are largely unknown. This is in part due to the dilute, microscopic nature of the planktonic microbial community, which prevents direct observation of their interactions. Here, we use a holistic (that is, microbial system-wide) approach to investigate time-dependent variations among taxa from all three domains of life in a marine microbial community. We investigated the community composition of bacteria, archaea and protists through cultivation-independent methods, along with total bacterial and viral abundance, and physico-chemical observations. Samples and observations were collected monthly over 3 years at a well-described ocean time-series site of southern California. To find associations among these organisms, we calculated time-dependent rank correlations (that is, local similarity correlations) among relative abundances of bacteria, archaea, protists, total abundance of bacteria and viruses and physico-chemical parameters. We used a network generated from these statistical correlations to visualize and identify time-dependent associations among ecologically important taxa, for example, the SAR11 cluster, stramenopiles, alveolates, cyanobacteria and ammonia-oxidizing archaea. Negative correlations, perhaps suggesting competition or predation, were also common. The analysis revealed a progression of microbial communities through time, and also a group of unknown eukaryotes that were highly correlated with dinoflagellates, indicating possible symbioses or parasitism. Possible 'keystone' species were evident. The network has statistical features similar to previously described ecological networks, and in network parlance has non-random, small world properties (that is, highly interconnected nodes). This approach provides new insights into the natural history of microbes.

Bacteriophages typically have small genomes

Abstract Characterizing ecological relationships between viruses, bacteria and protists in the ocean are critical to understanding ecosystem function, yet these relationships are infrequently investigated together. We evaluated these relationships through microbial association network analysis of samples collected approximately monthly from March 2008 to January 2011 in the surface ocean (0–5 m) at the San Pedro Ocean Time series station. Bacterial, T4-like myoviral and protistan communities were described by Automated Ribosomal Intergenic Spacer Analysis and terminal restriction fragment length polymorphism of the gene encoding the major capsid protein (g23) and 18S ribosomal DNA, respectively. Concurrent shifts in community structure suggested similar timing of responses to environmental and biological parameters. We linked T4-like myoviral, bacterial and protistan operational taxonomic units by local similarity correlations, which were then visualized as association networks. Network links (correlations) potentially represent synergistic and antagonistic relationships such as viral lysis, grazing, competition or other interactions. We found that virus–bacteria relationships were more cross-linked than protist–bacteria relationships, suggestive of increased taxonomic specificity in virus–bacteria relationships. We also found that 80% of bacterial–protist and 74% of bacterial–viral correlations were positive, with the latter suggesting that at monthly and seasonal timescales, viruses may be following their hosts more often than controlling host abundance.

Summary Anaerobic methane oxidation exerts a key control on greenhouse gas emissions 1 , yet factors that modulate the activity of microorganisms performing this function remain little explored. In studying groundwater, sediments, and wetland soil where methane production and oxidation occur, we discovered extraordinarily large, diverse DNA sequences that primarily encode hypothetical proteins. Four curated, complete genomes are linear, up to ~1 Mbp in length and share genome organization, including replicore structure, long inverted terminal repeats, and genome-wide unique perfect tandem direct repeats that are intergenic or generate amino acid repeats. We infer that these are a new type of archaeal extrachromosomal element with a distinct evolutionary origin. Gene sequence similarity, phylogeny, and local divergence of sequence composition indicate that many of their genes were assimilated from methane-oxidizing Methanoperedens archaea. We refer to these elements as “Borgs”. We identified at least 19 different Borg types coexisting with Methanoperedens in four distinct ecosystems. Borg genes expand redox and respiratory capacity (e.g., clusters of multiheme cytochromes), ability to respond to changing environmental conditions, and likely augment Methanoperedens capacity for methane oxidation (e.g., methyl coenzyme M reductase). By this process, Borgs could play a previously unrecognized role in controlling greenhouse gas emissions.

ABSTRACT Candidate Phyla Radiation (CPR) bacteria are small, likely episymbiotic organisms found across Earth’s ecosystems. Despite their prevalence, the distribution of CPR lineages across habitats and the genomic signatures of transitions amongst these habitats remain unclear. Here, we expand the genome inventory for Absconditabacteria (SR1), Gracilibacteria, and Saccharibacteria (TM7), CPR bacteria known to occur in both animal-associated and environmental microbiomes, and investigate variation in gene content with habitat of origin. By overlaying phylogeny with habitat information, we show that bacteria from these three lineages have undergone multiple transitions from environmental habitats into animal microbiomes. Based on co-occurrence analyses of hundreds of metagenomes, we extend the prior suggestion that certain Saccharibacteria have broad bacterial host ranges and constrain possible host relationships for Absconditabacteria and Gracilibacteria. Full-proteome analyses show that animal-associated Saccharibacteria have smaller gene repertoires than their environmental counterparts and are enriched in numerous protein families, including those likely functioning in amino acid metabolism, phage defense, and detoxification of peroxide. In contrast, some freshwater Saccharibacteria encode a putative rhodopsin. For protein families exhibiting the clearest patterns of differential habitat distribution, we compared protein and species phylogenies to estimate the incidence of lateral gene transfer and genomic loss occurring over the species tree. These analyses suggest that habitat transitions were likely not accompanied by large transfer or loss events, but rather were associated with continuous proteome remodeling. Thus, we speculate that CPR habitat transitions were driven largely by availability of suitable host taxa, and were reinforced by acquisition and loss of some capacities. IMPORTANCE Studying the genetic differences between related microorganisms from different environment types can indicate factors associated with their movement among habitats. This is particularly interesting for bacteria from the Candidate Phyla Radiation because their minimal metabolic capabilities require symbiotic associations with microbial hosts. We found that shifts of Absconditabacteria, Gracilibacteria, and Saccharibacteria between environmental ecosystems and mammalian mouths/guts probably did not involve major episodes of gene gain and loss; rather, gradual genomic change likely followed habitat migration. The results inform our understanding of how little-known microorganisms establish in the human microbiota where they may ultimately impact health.

Abstract Prior to soil formation, phosphate liberated by rock weathering is often sequestered into highly insoluble lanthanide phosphate minerals. Dissolution of these minerals is critical for the release of phosphate to the biosphere, yet the microorganisms involved, and the genes required for lanthanide metabolism, are poorly understood. Here, we sampled weathered granite and associated soil to identify the zones of lanthanide phosphate mineral solubilization and genomically define the organisms implicated in lanthanide utilisation. We reconstructed 136 genomes from 11 bacterial phyla and found gene clusters implicated in lanthanide-based metabolism of methanol (primarily XoxF3 and XoxF5) are surprisingly common in microbial communities in moderately weathered granite where lanthanide phosphate minerals are dissolving. Notably, XoxF3 systems were found in Verrucomicrobia for the first time, and in Acidobacteria, Gemmatimonadetes, and Alphaproteobacteria. The XoxF-containing gene clusters are shared by diverse Acidobacteria and Gemmatimonadetes, and include conserved hypothetical proteins and transporters not associated with the few well studied XoxF systems. Given that siderophore-like molecules that strongly bind lanthanides may be required to solubilize lanthanide phosphates, it is notable that candidate siderophore biosynthesis systems were most prevalent in bacteria in moderately weathered rock, especially in Acidobacteria with lanthanide-based systems. We conclude that the confluence in the zone of moderate weathering of phosphate mineral dissolution, lanthanide utilisation, and methanol oxidation (thus carbonic acid production) may be important during the conversion of granitic rock to soil.

Abstract The Tara Oceans Expedition has provided large, publicly-accessible microbial metagenomic datasets from a circumnavigation of the globe. Utilizing several size fractions from the samples originating in the Mediterranean Sea, we have used current assembly and binning techniques to reconstruct 290 putative high-quality metagenome-assembled bacterial and archaeal genomes, with an estimated completion of ≥50%, and an additional 2,786 bins, with estimated completion of 0-50%. We have submitted our results, including initial taxonomic and phylogenetic assignments, for the putative high-quality genomes to open-access repositories for the scientific community to use in ongoing research.

Abstract The genetic code is a highly conserved feature of life. However, some “alternative” genetic codes use reassigned stop codons to code for amino acids. Here, we survey stop codon recoding across bacteriophages (phages) in human and animal gut microbiomes. We find that stop codon recoding has evolved in diverse clades of phages predicted to infect hosts that use the standard code. We provide evidence for an evolutionary path towards recoding involving reduction in the frequency of TGA and TAG stop codons due to low GC content, followed by acquisition of suppressor tRNAs and the emergence of recoded stop codons in structural and lysis genes. In analyses of two distinct lineages of recoded virulent phages, we find that lysis-related genes are uniquely biased towards use of recoded stop codons. This convergence supports the inference that stop codon recoding is a strategy to regulate the expression of late stage genes and control lysis timing. Interestingly, we identified prophages with recoded stop codons integrated into genomes of bacteria that use standard code, and hypothesize that recoding may control the lytic-lysogenic switch. Alternative coding has evolved many times, often in closely related lineages, indicating that genetic code is plastic in bacteriophages and adaptive recoding can occur over very short evolutionary timescales.

Abstract Anaerobic methanotrophic (ANME) archaea conserve energy from the breakdown of methane, an important driver of global warming, yet the extrachromosomal genetic elements that impact the activities of ANME archaea are little understood. Here we describe large plasmids associated with ANME archaea of the Methanoperedens genus. These have been maintained in two bioreactors that contain enrichment cultures dominated by different Methanoperedens species and co-occur with Methanoperedens species in other anoxic environments. By manual curation we show that two of the plasmids are large (155,607 bp and 191,912 bp), circular, and replicate bidirectionally. The group of Methanoperedens species that carry these plasmids is related to “ Ca . Methanoperedens nitroreducens”, “ Ca . Methanoperedens ferrireducens”, “ Ca . Methanoperedens manganicus" and the plasmids occur in the same copy number as the main chromosome. The larger plasmid encodes transporters that potentially enhance access to Ni, which is required for the methyl-CoM reductase (Mcr), Co required for the cobalamin cofactor needed for methyltransferases, and amino acid uptake. We show that many plasmid genes are actively transcribed, including genes involved in plasmid chromosome maintenance and segregation, a Co 2+ /Ni 2+ transporter and cell protective proteins. Notably, one plasmid carries three tRNAs and two colocalized genes encoding ribosomal protein uL16 and elongation factor eEF2. These are not encoded in the host Methanoperedens genome and uL16 and eEF2 were highly expressed, indicating an obligate interdependence between this plasmid and its host. The finding of plasmids of Methanoperedens opens the way for the development of genetic vectors that could be used to probe little understood aspects of Methanoperedens physiology. Ultimately, this may provide a route to introduce or alter genes that may enhance growth and overall metabolism to accelerate methane oxidation rates.

Abstract Across the tree of life, gene lengths vary, but most are no more than a few thousand base pairs in length. The largest protein often reported is the ∼40,000 aa eukaryotic Titin. Even larger proteins may occur in the rapidly expanding set of metagenome-derived sequences, but their existence may be obscured by assembly fragmentation. Here, we leverage genome curation to complete metagenome-derived sequences that encode predicted proteins of up to 85,804 aa. Overall, the findings illuminate a huge knowledge gap related to giant proteins. Although predicted proteins of >30,000 aa occur in bacterial phyla such as Firmicutes and Actinobacteria , they are most common in ca. Omnitrophota, ultra small bacteria that adopt predatory lifestyles. All full length giant genes encode numerous transmembrane regions and most encode divergent secA DEAD helicase domains. In silico structural prediction of protein subregions was required to identify domains in unannotated protein segments, and revealed putative domains implicated in attachment and carbohydrate degradation. Many giant genes in new complete and near-complete Omnitrophota genomes occur in close proximity to genes homologous to type II secretion systems as well as carbohydrate import systems. This, in combination with the domain content, suggests that many bacterial giant proteins enable prey adhesion and cell wall digestion during bacterial predation.