ABSTRACT Bacillus subtilis produces a wide range of secondary metabolites providing diverse plant-growth-promoting and biocontrol abilities. These secondary metabolites include non-ribosomal peptides (NRPs) with strong antimicrobial properties, causing either cell lysis, pore formation in fungal membranes, inhibition of certain enzymes, or bacterial protein synthesis. However, the natural products of B. subtilis are mostly studied either in laboratory strains or in individual isolates and therefore, a comparative overview of B. subtilis secondary metabolites is missing. In this study, we have isolated 23 B. subtilis strains from eleven sampling sites, compared the fungal inhibition profiles of wild types and their NRPs mutants, followed the production of targeted lipopeptides, and determined the complete genomes of 13 soil isolates. We discovered that non-ribosomal peptide production varied among B. subtilis strains co-isolated from the same soil samples. In vitro antagonism assays revealed that biocontrol properties depend on the targeted plant pathogenic fungus and the tested B. subtilis isolate. While plipastatin alone is sufficient to inhibit Fusarium sp., a combination of plipastatin and surfactin is required to hinder the growth of Botrytis cinerea . Detailed genomic analysis revealed that altered NRP production profiles in certain isolates is due to missing core genes, nonsense mutation, or potentially altered gene regulation. Our study combines microbiological antagonism assays with chemical NRPs detection and biosynthetic gene cluster predictions in diverse B. subtilis soil isolates to provide a broader overview of the secondary metabolite chemodiversity of B. subtilis . IMPORTANCE Secondary or specialized metabolites with antimicrobial activities define the biocontrol properties of microorganisms. Members of the Bacillus genus produce a plethora of secondary metabolites, of which non-ribosomally produced lipopeptides in particular display strong antifungal activity. To facilitate prediction of the biocontrol potential of new Bacillus subtilis isolates, we have explored the in vitro antifungal inhibitory profiles of recent B. subtilis isolates, combined with analytical natural product chemistry, mutational analysis, and detailed genome analysis of biosynthetic gene clusters. Such a comparative analysis helped to explain why selected B. subtilis isolates lack production of certain secondary metabolites.

Although horizontal gene transfer is pervasive in the intestinal microbiota, we understand only superficially the roles of most exchanged genes and how the mobile repertoire affects community dynamics. Similarly, little is known about the mechanisms underlying the ability of a community to recover after a perturbation. Here, we identified and functionally characterized a large conjugative plasmid that is one of the most frequently transferred elements among Bacteroidales species and is ubiquitous in diverse human populations. This plasmid encodes both an extracellular polysaccharide and fimbriae, which promote the formation of multispecies biofilms in the mammalian gut. We use a hybridization-based approach to visualize biofilms in clarified whole colon tissue with unprecedented 3D spatial resolution. These biofilms increase bacterial survival to common stressors encountered in the gut, increasing strain resiliency, and providing a rationale for the plasmid's recent spread and high worldwide prevalence.

Biofilms are now considered to be the most abundant form of microbial life on Earth, playing critical roles in biogeochemical cycles, agriculture, and health care. Phenotypic and genotypic variations in biofilms generally occur in three-dimensional space and time, and biofilms are therefore often investigated using microscopy. However, the quantitative analysis of microscopy images presents a key obstacle in phenotyping biofilm communities and single-cell heterogeneity inside biofilms. Here, we present BiofilmQ, a comprehensive image cytometry software tool for the automated high-throughput quantification and visualization of 3D and 2D community properties in space and time. Using BiofilmQ does not require prior knowledge of programming or image processing and provides a user-friendly graphical user interface, resulting in editable publication-quality figures. BiofilmQ is designed for handling fluorescence images of any spatially structured microbial community and growth geometry, including microscopic, mesoscopic, macroscopic colonies and aggregates, as well as bacterial biofilms in the context of eukaryotic hosts.

For a safe and sustainable environment, effective microbes as biocontrol agents are in high demand. We have isolated a new Bacillus velezensis strain DTU001, investigated its antifungal spectrum, sequenced its genome, and uncovered the production of lipopeptides in HPLC-HRMS analysis. To test the antifungal efficacy, extracts of B. velezensis DTU001 was tested against a range of twenty human or plant pathogenic fungi. We demonstrate that inhibitory potential of B. velezensis DTU001 against selected fungi is superior in comparison to single lipopeptide, either iturin or fengycin. The isolate showed analogous biofilm formation to other closely related Bacilli . To further support the biocontrol properties of the isolate, coculture with Candida albicans demonstrated that B. velezensis DTU001 exhibited excellent antiproliferation effect against C. albicans . In summary, the described isolate is a potential antifungal agent with a broad antifungal spectrum that might assist our aims to avoid hazardous pathogenic fungi and provide alternative to toxicity caused by chemicals.

Abstract Collective behavior of bacteria is regulated by quorum sensing (QS). Bacterial cells sense the density of the population and induce corresponding traits and developmental processes. Autoinducer-2 (AI-2) is a common QS signal that regulates behavior of both Gram-positive and Gram-negative bacteria. In spite of the plethora of processes described to be influenced by AI-2 in diverse Gram-negative bacteria, the AI-2-regulated processes in Bacilli are relatively unexplored. Previously, we demonstrated that AI-2 regulates root colonization of Bacillus velezensis SQR9, a well-studied plant beneficial rhizobacterium. Here, we describe a novel function for AI-2 in B. velezensis SQR9 related to development of dormant spores. AI-2 inhibited the initiation of spore development throught the phosphatase RapC and the DNA binding regulator ComA. Using mutant strains and protein-protein interaction studies, we demonstrate that AI-2 interacts with RapC to stimulate its binding to ComA and therefore inactive ComA. We further demonstrate that ComA is essential for Spo0A-regulated sporulation in B. velezensis SQR9. Finally, the AI-2 molecule could be shared cross species for inhibiting Bacillus sporulation. Our study revealed a novel function and regulation mechanism of AI-2 in sporulation inhibition of Bacilli that overall suggests sporulation to be a population-level decision process in Bacilli rather than just a individual cell behavior. Author summary Quorum sensing (QS) regulates many bacterial social behavior. Bacteria cells could moniter and respond cell density by sensing the self produced QS signals. While most QS signals are unique for either Gram-positive or Gram-negative bacteria, autoinducer-2 (AI-2) is a QS signal that could produced by both bacteria groups. However, knowledge of the mechanism of AI-2 affecting bacterial behavior is poorly understood. Here, we found AI-2 inhibite Bacillus velezensis SQR9 sporulation, a generally known bacterial individual behavior. We further revealed the mechanism of AI-2 influencing sporulation of B. velezensis SQR9 was dependent on RapC and ComA. AI-2 interacts with RapC to stimulate its binding to ComA and therefore inactive ComA, and then inhibited the Spo0A-regulated sporulation. Interestingly, we show B. velezensis SQR9 could also sense the AI-2 produced by other bacteria and reduce their own sporulation. Taken together we discovered the novel function of AI-2 in sporulation, which will expand the significance of QS signal that they regulate not only social behavior but also individual behavior of bacteria.