Abstract Background Illumina paired-end reads are used to analyse microbial communities by targeting amplicons of the 16S rRNA gene. Publicly available tools are needed to assemble overlapping paired-end reads while correcting mismatches and uncalled bases; many errors could be corrected to obtain higher sequence yields using quality information. Results PANDAseq assembles paired-end reads rapidly and with the correction of most errors. Uncertain error corrections come from reads with many low-quality bases identified by upstream processing. Benchmarks were done using real error masks on simulated data, a pure source template, and a pooled template of genomic DNA from known organisms. PANDAseq assembled reads more rapidly and with reduced error incorporation compared to alternative methods. Conclusions PANDAseq rapidly assembles sequences and scales to billions of paired-end reads. Assembly of control libraries showed a 4-50% increase in the number of assembled sequences over naïve assembly with negligible loss of "good" sequence.

ABSTRACT Microbial communities host unparalleled taxonomic diversity. Adequate characterization of environmental and host-associated samples remains a challenge for microbiologists, despite the advent of 16S rRNA gene sequencing. In order to increase the depth of sampling for diverse bacterial communities, we developed a method for sequencing and assembling millions of paired-end reads from the 16S rRNA gene (spanning the V3 region; ∼200 nucleotides) by using an Illumina genome analyzer. To confirm reproducibility and to identify a suitable computational pipeline for data analysis, sequence libraries were prepared in duplicate for both a defined mixture of DNAs from known cultured bacterial isolates (>1 million postassembly sequences) and an Arctic tundra soil sample (>6 million postassembly sequences). The Illumina 16S rRNA gene libraries represent a substantial increase in number of sequences over all extant next-generation sequencing approaches (e.g., 454 pyrosequencing), while the assembly of paired-end 125-base reads offers a methodological advantage by incorporating an initial quality control step for each 16S rRNA gene sequence. This method incorporates indexed primers to enable the characterization of multiple microbial communities in a single flow cell lane, may be modified readily to target other variable regions or genes, and demonstrates unprecedented and economical access to DNAs from organisms that exist at low relative abundances.

Here we present a standard developed by the Genomic Standards Consortium (GSC) for reporting marker gene sequences—the minimum information about a marker gene sequence (MIMARKS). We also introduce a system for describing the environment from which a biological sample originates. The 'environmental packages' apply to any genome sequence of known origin and can be used in combination with MIMARKS and other GSC checklists. Finally, to establish a unified standard for describing sequence data and to provide a single point of entry for the scientific community to access and learn about GSC checklists, we present the minimum information about any (x) sequence (MIxS). Adoption of MIxS will enhance our ability to analyze natural genetic diversity documented by massive DNA sequencing efforts from myriad ecosystems in our ever-changing biosphere.

Irritable bowel syndrome (IBS) is a common disorder characterized by altered gut function and often is accompanied by comorbid anxiety. Although changes in the gut microbiota have been documented, their relevance to the clinical expression of IBS is unknown. To evaluate a functional role for commensal gut bacteria in IBS, we colonized germ-free mice with the fecal microbiota from healthy control individuals or IBS patients with diarrhea (IBS-D), with or without anxiety, and monitored gut function and behavior in the transplanted mice. Microbiota profiles in recipient mice clustered according to the microbiota profiles of the human donors. Mice receiving the IBS-D fecal microbiota showed a taxonomically similar microbial composition to that of mice receiving the healthy control fecal microbiota. However, IBS-D mice showed different serum metabolomic profiles. Mice receiving the IBS-D fecal microbiota, but not the healthy control fecal microbiota, exhibited faster gastrointestinal transit, intestinal barrier dysfunction, innate immune activation, and anxiety-like behavior. These results indicate the potential of the gut microbiota to contribute to both intestinal and behavioral manifestations of IBS-D and suggest the potential value of microbiota-directed therapies in IBS patients.

We present bacterial biogeography as sampled from the human gastrointestinal tract of four healthy subjects. This study generated >32 million paired-end sequences of bacterial 16S rRNA genes (V3 region) representing >95,000 unique operational taxonomic units (OTUs; 97% similarity clusters), with >99% Good's coverage for all samples. The highest OTU richness and phylogenetic diversity was found in the mouth samples. The microbial communities of multiple biopsy sites within the colon were highly similar within individuals and largely distinct from those in stool. Within an individual, OTU overlap among broad site definitions (mouth, stomach/duodenum, colon and stool) ranged from 32–110 OTUs, 25 of which were common to all individuals and included OTUs affiliated with Faecalibacterium prasnitzii and the TM7 phylum. This first comprehensive characterization of the abundant and rare microflora found along the healthy human digestive tract represents essential groundwork to investigate further how the human microbiome relates to health and disease.

ABSTRACT Massively parallel sequencing of 16S rRNA genes enables the comparison of terrestrial, aquatic, and host-associated microbial communities with sufficient sequencing depth for robust assessments of both alpha and beta diversity. Establishing standardized protocols for the analysis of microbial communities is dependent on increasing the reproducibility of PCR-based molecular surveys by minimizing sources of methodological bias. In this study, we tested the effects of template concentration, pooling of PCR amplicons, and sample preparation/interlane sequencing on the reproducibility associated with paired-end Illumina sequencing of bacterial 16S rRNA genes. Using DNA extracts from soil and fecal samples as templates, we sequenced pooled amplicons and individual reactions for both high (5- to 10-ng) and low (0.1-ng) template concentrations. In addition, all experimental manipulations were repeated on two separate days and sequenced on two different Illumina MiSeq lanes. Although within-sample sequence profiles were highly consistent, template concentration had a significant impact on sample profile variability for most samples. Pooling of multiple PCR amplicons, sample preparation, and interlane variability did not influence sample sequence data significantly. This systematic analysis underlines the importance of optimizing template concentration in order to minimize variability in microbial-community surveys and indicates that the practice of pooling multiple PCR amplicons prior to sequencing contributes proportionally less to reducing bias in 16S rRNA gene surveys with next-generation sequencing.

Abstract Scientific exploration of phototrophic bacteria over nearly 200 years has revealed large phylogenetic gaps between known phototrophic groups that limit understanding of how phototrophy evolved and diversified. Through Boreal Shield lake water incubations, we cultivated an anoxygenic phototrophic bacterium from a previously unknown order within the Chloroflexota phylum that represents a highly novel transition form in the evolution of photosynthesis. Unlike all other known phototrophs, this bacterium uses a Type I reaction center (RCI) for light energy conversion yet belongs to the same bacterial phylum as organisms that use a Type II reaction center (RCII) for phototrophy. Using physiological, phylogenomic, and environmental metatranscriptomic data, we demonstrate active RCI-utilizing metabolism by the strain alongside usage of chlorosomes and bacteriochlorophylls related to those of RCII-utilizing Chloroflexota members. Despite using different reaction centers, our phylogenomic data provide strong evidence that RCI- and RCII-utilizing Chloroflexia members inherited phototrophy from a most recent common phototrophic ancestor that used RCI, RCII, or both reaction center classes, substantially revising our view of the diversity and evolution of phototrophic life. The Chloroflexota phylum preserves an evolutionary record of interaction between RCI and RCII among anoxygenic phototrophs that gives new context for exploring the origins of phototrophy on Earth.

Abstract Nitrification, the oxidation of ammonia to nitrate via nitrite, is an important process in municipal wastewater treatment plants (WWTPs). Members of the Nitrospira genus that contribute to complete ammonia oxidation (comammox) have only recently been discovered and their relevance to engineered water treatment systems is poorly understood. This study investigated distributions of Nitrospira , ammonia-oxidizing archaea (AOA), and ammonia-oxidizing bacteria (AOB) in biofilm samples collected from tertiary rotating biological contactors (RBCs) of a municipal WWTP in Guelph, Ontario, Canada. Using quantitative PCR (qPCR), 16S rRNA gene sequencing, and metagenomics, our results demonstrate that Nitrospira species strongly dominate RBC biofilm samples and that comammox Nitrospira outnumber all other nitrifiers. Genome bins recovered from assembled metagenomes reveal multiple populations of comammox Nitrospira with distinct spatial and temporal distributions, including several taxa that are distinct from previously characterized Nitrospira members. Diverse functional profiles imply a high level of niche heterogeneity among comammox Nitrospira , in contrast to the sole detected AOA representative that was previously cultivated and characterized from the same RBC biofilm. Our metagenome bins also reveal two cyanase-encoding populations of comammox Nitrospira , suggesting an ability to degrade cyanate, which has not been shown previously for Nitrospira that are not strict nitrite oxidizers. This study demonstrates the importance of RBCs as model systems for continued investigation of environmental factors that control the distributions and activities of AOB, AOA, comammox Nitrospira , and other nitrite oxidizers.

Abstract Nitrification by aquarium biofilters transforms toxic ammonia waste (NH 3 /NH 4 + ) to less toxic nitrate (NO 3 - ) via nitrite (NO 2 - ). Ammonia oxidation is mediated by ammonia-oxidizing bacteria (AOB), ammonia-oxidizing archaea (AOA), and the recently discovered complete ammonia oxidizing (comammox) Nitrospira . Prior to the discovery of comammox Nitrospira , previous research revealed that AOA dominate among ammonia oxidizers in freshwater biofilters. Here, we characterized the composition of aquarium filter microbial communities and quantified the abundance of all three known groups of ammonia oxidizers. Aquarium biofilter and water samples were collected from representative freshwater and saltwater systems in Southwestern Ontario, Canada. Using extracted DNA, we performed 16S rRNA gene sequencing and quantitative PCR (qPCR) to assess community composition and quantify the abundance of amoA genes, respectively. Our results show that aquarium biofilter microbial communities were consistently represented by putative heterotrophs of the Proteobacteria and Bacteroides phyla, with distinct profiles associated with fresh versus saltwater biofilters. Among nitrifiers, comammox Nitrospira amoA genes were detected in all 38 freshwater aquarium biofilter samples and were the most abundant ammonia oxidizer in 30 of these samples, with the remaining biofilters dominated by AOA, based on amoA gene abundances. In saltwater biofilters, AOA or AOB were differentially abundant, with no comammox Nitrospira detected. These results demonstrate that comammox Nitrospira play an important role in biofilter nitrification that has been previously overlooked and such microcosms are useful for exploring the ecology of nitrification for future research.