An analysis of 24 coral reef viromes challenges the view that lytic phage are believed to predominate when the density of their hosts increase and shows instead that lysogeny is more important at high host densities; the authors also show that this model is consistent with predator–prey dynamics in a range of other ecosystems, such as animal-associated, sediment and soil systems. Microbial viruses can control host abundances via density-dependent lytic predator–prey dynamics. Less clear is how temperate viruses, which coexist and replicate with their host, influence microbial communities. Here we show that virus-like particles are relatively less abundant at high host densities. This suggests suppressed lysis where established models predict lytic dynamics are favoured. Meta-analysis of published viral and microbial densities showed that this trend was widespread in diverse ecosystems ranging from soil to freshwater to human lungs. Experimental manipulations showed viral densities more consistent with temperate than lytic life cycles at increasing microbial abundance. An analysis of 24 coral reef viromes showed a relative increase in the abundance of hallmark genes encoded by temperate viruses with increased microbial abundance. Based on these four lines of evidence, we propose the Piggyback-the-Winner model wherein temperate dynamics become increasingly important in ecosystems with high microbial densities; thus ‘more microbes, fewer viruses’. Lytic phage can control the abundance of their microbial hosts in a density-dependent manner with 'kill-the-winner' predation dynamics. It was widely assumed that lytic phages would dominate in nutrient-rich conditions favouring high host density, and that lysogenic phage, which integrate into their hosts instead of lysing them, tend to dominate when host numbers are low. This meta-analysis of 24 coral reef viromes challenges that view. Ben Knowles et al. find that lysogeny is more important than lysis at high, rather than low host densities. The authors term this the 'Piggyback-the-Winner' model, and show that it is consistent with predator–prey dynamics in a range of other ecosystems, including animal-associated, sediment, and soil systems.

Current-day metagenomics analyses increasingly involve de novo taxonomic classification of long DNA sequences and metagenome-assembled genomes. Here, we show that the conventional best-hit approach often leads to classifications that are too specific, especially when the sequences represent novel deep lineages. We present a classification method that integrates multiple signals to classify sequences (Contig Annotation Tool, CAT) and metagenome-assembled genomes (Bin Annotation Tool, BAT). Classifications are automatically made at low taxonomic ranks if closely related organisms are present in the reference database and at higher ranks otherwise. The result is a high classification precision even for sequences from considerably unknown organisms.

Abstract Marine viruses are key drivers of host diversity, population dynamics and biogeochemical cycling and contribute to the daily flux of billions of tons of organic matter. Despite recent advancements in metagenomics, much of their biodiversity remains uncharacterized. Here we report a data set of 27,346 marine virome contigs that includes 44 complete genomes. These outnumber all currently known phage genomes in marine habitats and include members of previously uncharacterized lineages. We designed a new method for host prediction based on co-occurrence associations that reveals these viruses infect dominant members of the marine microbiome such as Prochlorococcus and Pelagibacter . A negative association between host abundance and the virus-to-host ratio supports the recently proposed Piggyback-the-Winner model of reduced phage lysis at higher host densities. An analysis of the abundance patterns of viruses throughout the oceans revealed how marine viral communities adapt to various seasonal, temperature and photic regimes according to targeted hosts and the diversity of auxiliary metabolic genes.

Abstract The extraordinary diversity of viruses infecting bacteria and archaea is now primarily studied through metagenomics. While metagenomes enable high-throughput exploration of the viral sequence space, metagenome-derived genomes lack key information compared to isolated viruses, in particular host association. Different computational approaches are available to predict the host(s) of uncultivated viruses based on their genome sequences, but thus far individual approaches are limited either in precision or in recall, i.e. for a number of viruses they yield erroneous predictions or no prediction at all. Here we describe iPHoP, a two-step framework that integrates multiple methods to provide host predictions for a broad range of viruses while retaining a low (<10%) false-discovery rate. Based on a large database of metagenome-derived virus genomes, we illustrate how iPHoP can provide extensive host prediction and guide further characterization of uncultivated viruses. iPHoP is available at https://bitbucket.org/srouxjgi/iphop , through a Bioconda recipe, and a Docker container.

ABSTRACT Background SARS-CoV-2 is an RNA virus causing COVID-19. The clinical characteristics and epidemiology of COVID-19 have been extensively investigated, however studies focused on the patient’s microbiota are still lacking. In this study, we investigated the nasopharyngeal microbiome composition of patients who developed different severity levels of COVID-19. We performed Rdna-SSU (16S) sequencing from nasopharyngeal swab samples obtained from SARS-CoV-2 positive (56) and negative (18) patients in the province of Alicante (Spain) in their first visit to the hospital. Positive SARS-CoV-2 patients were observed and later categorized in mild (symptomatic without hospitalization), moderate (hospitalization) and severe (admission to ICU). We compared the microbiome diversity and OTU composition among severity groups using Similarity Percentage (SIMPER) analysis and Maaslin2. We also built bacterial co-abundance networks for each group using Fastpar. Results Statistical analysis indicated differences in the nasopharyngeal microbiome of COVID19 patients. 62 OTUs were found exclusively in SARS-CoV-2 positive patients, mostly classified as members of the phylum Bacteroidetes (18) and Firmicutes (25). OTUs classified as Prevotella were found to be significantly more abundant in patients that developed more severe COVID-19. Furthemore, co-abundance analysis indicated a loss of network complexity among samples from patients that later developed more severe symptoms. Conclusions Our preliminary study shows that the nasopharyngeal microbiome of COVID-19 patients showed differences in the composition of specific OTUs and complexity of co-abundance networks. These microbes with differential abundances among groups could serve as biomarkers for COVID-19 severity. Nevertheless, further studies with larger sample sizes should be conducted to validate these results. IMPORTANCE This work has studied the microbiota of the nasopharyngeal tract in COVID19 patients using advanced techniques of molecular microbiology. Diverse microorganisms, most of which are harmless or even beneficial to the host, colonize the nasopharyngeal tract. These microorganisms are the microbiota, and they are present in every people. However, changes in this microbiota could be related to different diseases as cancer, gastrointestinal pathologies or even COVID19. This study has been performed to investigate the microbiota from patients with COVID19, in order to determinate its implication in the pathology severity. The results obtained showed that it is possible that several specific microorganisms are present only in patients with severe COVID19. These data, could be used as a prognostic biomarker to early detect whose patients will develop a severe COVID19 and improve their clinical management.

Current-day metagenomics increasingly requires taxonomic classification of long DNA sequences and metagenome-assembled genomes (MAGs) of unknown microorganisms. We show that the standard best-hit approach often leads to classifications that are too specific. We present tools to classify high-quality metagenomic contigs (Contig Annotation Tool, CAT) and MAGs (Bin Annotation Tool, BAT) and thoroughly benchmark them with simulated metagenomic sequences that are classified against a reference database where related sequences are increasingly removed, thereby simulating increasingly unknown queries. We find that the query sequences are correctly classified at low taxonomic ranks if closely related organisms are present in the reference database, while classifications are made higher in the taxonomy when closely related organisms are absent, thus avoiding spurious classification specificity. In a real-world challenge, we apply BAT to over 900 MAGs from a recent rumen metagenomics study and classified 97% consistently with prior phylogeny-based classifications, but in a fully automated fashion.

Abstract Viruses play important roles on the biogeochemical cycles that take place in the ocean.Yet, deep ocean viruses are one of the most under-explored fractions of the global biosphere. Little is known about the environmental factors that control the composition and functioning of their communities, or how they interact with their free-living or particle-attached microbial hosts. Thus, we analysed 58 viral communities associated to size fractionated free-living (0.2–0.8 μm) and particle-attached (0.8–20 μm) cellular metagenomes from bathypelagic (2,150-4,018 m deep) microbiomes obtained during the Malaspina expedition. These metagenomes yielded 6,631 viral sequences, 91% of which were novel, and 67 represented high-quality genomes. Taxonomic classification assigned 53% of the viral sequences to families of tailed viruses from the order Caudovirales. Computational host prediction associated 886 viral sequences to dominant members of the deep ocean microbiome, such as Alphaproteobacteria (284), Gammaproteobacteria (241), SAR324 (23), Marinisomatota (39), and Chloroflexota (61). Free-living and particle-attached viral communities had markedly distinct taxonomic composition, host prevalence, and auxiliary metabolic gene content, which led to the discovery of novel viral encoded metabolic genes involved in the folate and nucleotide metabolisms. Water mass age emerged as an important factor driving viral community composition. We postulated this was due to changes in quality and concentration of dissolved organic matter acting on the host communities, leading to an increase of viral auxiliary metabolic genes associated with energy metabolism among older water masses. These results shed light on the mechanisms by which environmental gradients of deep ocean ecosystems structure the composition and functioning of free-living and particle-attached viral communities.

Viruses are extremely abundant and diverse biological entities that contribute to the functioning of marine ecosystems. Despite their recognized importance no studies have addressed trends of micro-diversity in marine viral communities across depth gradients. To fill this gap we obtained metagenomes from both the cellular and viral fractions of Mediterranean seawater samples spanning the epipelagic to the bathypelagic zone at 15, 45, 60 and 2000 meters deep. The majority of viral genomic sequences obtained were derived from bacteriophages of the order Caudovirales, and putative host assignments suggested that they infect some of the most abundant bacteria in marine ecosystems such as Pelagibacter, Puniceispirillum and Prochlorococcus. We evaluated micro-diversity patterns by measuring the accumulation of synonymous and non-synonymous mutations in viral genes. Our results demonstrated that the degree of micro-diversity differs among genes encoding metabolic, structural, and replication proteins and that the degree of micro-diversity increased with depth. These trends of micro-diversity were linked to the changes in environmental conditions observed throughout the depth gradient, such as energy availability, host densities and proportion of actively replicating viruses. These observations allowed us to generate hypotheses regarding the selective pressures acting upon marine viruses from the epipelagic to the bathypelagic zones.

Viruses of Archaea and Bacteria are among the most abundant and diverse biological entities on Earth. Unraveling their biodiversity has been challenging due to methodological limitations. Recent advances in culture-independent techniques, such as metagenomics, shed light on viral dark matter, revealing thousands of new viral genomes at an unprecedented scale. However, these novel genomes have not been properly classified and the evolutionary associations between them were not resolved. Here, we performed phylogenomic analysis of nearly 200,000 viral genomic sequences to establish GL-UVAB: Genomic Lineages of Uncultured Viruses of Archaea and Bacteria. GL-UVAB yielded a 44-fold increase in the amount of classified genomes. The pan-genome content of the identified lineages revealed their infection strategies, potential to modulate host physiology and mechanisms to escape resistance systems. Furthermore, using GL-UVAB for annotating metagenomes from multiple ecosystems revealed elusive habitat distribution patterns of viral communities. These findings expand the understanding of the diversity, evolution and ecology of viruses of prokaryotes.

Abstract Background The high incidence of bacterial genes that confer resistance to last-resort antibiotics, such as colistin caused by MCR genes, poses an unprecedented threat to our civilization’s health. To understand the spread, evolution, and distribution of such genes among human populations, with the final goal of diminishing their occurrence in human environments should be a priority. To tackle this problem, we investigated the distribution and prevalence of potential mcr genes in the human gut microbiome we used a set of bioinformatics tools to screen the Unified Human Gastrointestinal Genome (UHGG) collection for the presence, synteny and phylogeny of putative mcr genes, and co-located antibiotic resistance genes. Results A total of 2,079 ARGs were classified as different MCR in 2,046 Metagenome assembled genomes (MAGs), present in 1,596 individuals from 41 countries, of which 215 MCRs were identified in plasmidial contigs. The genera that presented the largest number of MCR-like genes were Suterella and Parasuterella , prevalent human gut bacteria of which Suterella wadsworthensis is associated with autism. Other potential pathogens carrying MCR genes belonged to the genus Vibrio , Escherichia and Campylobacter . Finally, we identified a total of 22,746 ARGs belonging to 21 different classes in the same 2,046 MAGs, suggesting multi-resistance potential in the corresponding bacterial strains, increasing the concern of ARGs impact in the clinical settings. Conclusion This study uncovers the diversity of MCR-like genes in the human gut microbiome. We showed the cosmopolitan distribution of these genes in individuals worldwide and the co-presence of other antibiotic resistance genes, including Extended-spectrum beta-lactamases (ESBL). Also, we described mcr-like genes fused to a PAP2-like domain in S. wadsworthensis . Although these novel sequences increase our knowledge about the diversity and evolution of mcr-like genes, their activity and a potential colistin resistance in the corresponding strains has to be experimentally validated.