Abstract Microbial residents of the human oral cavity have long been a major focus of microbiology due to their influence on host health and their intriguing patterns of site specificity amidst the lack of dispersal limitation. Yet, the determinants of niche partitioning in this habitat are yet to be fully understood, especially among the taxa that belong to recently discovered branches of microbial life. Here we assembled metagenomes from daily tongue and dental plaque samples from multiple individuals and reconstructed 790 non-redundant genomes, 43 of which resolved to TM7 that formed six monophyletic clades distinctly associated either with plaque or with tongue. Both pangenomic and phylogenomic analyses grouped tongue-specific TM7 clades with other host-associated TM7 genomes. In contrast, plaque-specific TM7 grouped together with environmental TM7 genomes. Besides offering deeper insights into the ecology, evolution, and the mobilome of the cryptic members of the oral microbiome, our study reveals an intriguing resemblance between dental plaque and non-host environments indicated by the TM7 evolution, suggesting that plaque may have served as a stepping stone for environmental microbes to adapt to host environments for some clades of human associated microbes. Additionally, we report that prophages are widespread amongst oral-associated TM7, while absent from environmental TM7, suggesting that prophages may have played a role in adaptation of TM7 to the host environment.

Abstract Coastal marine phototrophs exhibit some of the highest rates of primary productivity in the world. They have been found to host a diverse set of microbes, many of which may impact the biology of their phototroph hosts through metabolisms that are unique to microbial taxa. Here we characterized the metabolic functions of phototroph-associated microbial communities using metagenomes collected from 2 species of kelp ( Laminaria setchellii and Nereocystis luetkeana ) and 3 marine angiosperms ( Phyllospadix scouleri, P. serrulatus and Zostera marina ), including the rhizomes of two surfgrass species ( Phyllospadix spp.) and the seagrass Zostera marina , and the sediments surrounding P. scouleri and Z. marina . Using metagenomic sequencing, we describe 72 metagenome assembled genomes (MAGs) that potentially benefit from being associated with macrophytes and may contribute to macrophyte fitness through their metabolic gene content. All host-associated metagenomes contained genes for the use of dissolved organic matter from hosts and vitamin (B 1 , B 2 , B 7 , B 12 ) biosynthesis. Additionally, we found a range of nitrogen metabolism genes that transform dissolved inorganic nitrogen into forms that may be more available to the host. The rhizosphere of surfgrass and seagrass contained genes for anaerobic microbial metabolisms, including nifH genes associated with nitrogen fixation, despite residing in a well-mixed and oxygenated environment. The range of oxygen environments engineered by macrophytes likely explains the diversity of both oxidizing and reducing microbial metabolisms, and contributes to the functional capabilities of microbes and their influence on carbon and nitrogen cycling in nearshore ecosystems. Importance Kelps, seagrasses and surfgrasses are ecosystem engineers on rocky shorelines where they show remarkably high levels of primary production. Through analysis of their associated microbial communities, we found a variety of microbial metabolisms that may benefit the host, including nitrogen metabolisms and the production of B vitamins. In turn, these microbes have the genetic capability to assimilate the dissolved organic compounds released by their phototroph hosts. We describe a range of oxygen environments associated with surfgrass, including low-oxygen microhabitats in their rhizomes that host genes for nitrogen fixation. The tremendous productivity of coastal phototrophs is likely due in part to the activities of associated microbes and an increased understanding of these associations is needed.

Abstract Microbial communities are known to influence mosquito lifestyles by modifying essential metabolic and behavioral processes that affect reproduction, development, immunity, digestion, egg survival, and ability to transmit pathogens. Many studies have used 16S rRNA gene amplicons to characterize mosquito microbiota and investigate factors that influence host-microbiota dynamics. However, a relatively low taxonomic resolution due to clustering methods based on arbitrary threshold and the overall dominance of Wolbachia or Asaia populations obscured the investigation of rare members of mosquito microbiota in previous studies. Here, we used high resolution Shannon entropy-based oligotyping approaches to analyze the microbiota of Culex pipiens, Culex quinquefasciatus and Aedes individuals from continental and overseas regions in Southern France and Guadeloupe as well as from laboratories with or without antibiotics treatment. Our experimental design that resulted in a series of mosquito samples with a gradient of Wolbachia density and relative abundance along with high-resolution analyses of amplicon sequences enabled the recovery of a robust signal from typically less accessible bacterial taxa. Our data confirm species-specific mosquito-bacteria associations with geography as a primary factor that influences bacterial community structure. But interestingly, they also reveal co-occurring symbiotic bacterial variants within single individuals for both Elizabethkingia and Erwinia genera, distinct and specific Asaia and Chryseobacterium in continental and overseas territories and a putative rare Wolbachia variant. Overall, our study reveals the presence of previously-overlooked microdiversity and multiple closely related symbiotic strains within mosquito individuals with a remarkable habitat-specificity.

Nitrogen fixation in the surface ocean impacts the global climate by regulating the microbial primary productivity and the sequestration of carbon through the biological pump. Cyanobacterial populations have long been thought to represent the main suppliers of the bio-available nitrogen in this habitat. However, recent molecular surveys of nitrogenase reductase gene revealed the existence of rare non-cyanobacterial populations that can also fix nitrogen. Here, we characterize for the first time the genomic content of some of these heterotrophic bacterial diazotrophs (HBDs) inhabiting the open surface ocean waters. They represent new lineages within Proteobacteria and Planctomycetes, a phylum never linked to nitrogen fixation prior to this study. HBDs were surprisingly abundant in the Pacific Ocean and the Atlantic Ocean northwest, conflicting with decades of PCR surveys. The abundance and widespread occurrence of non-cyanobacterial diazotrophs in the surface ocean emphasizes the need to re-evaluate their role in the nitrogen cycle and primary productivity.

Traditional cultivation approaches in microbiology are labor-intensive, low-throughput, and often yield biased sampling of taxa due to ecological and evolutionary factors. New strategies are needed to enable ample representation of rare taxa and slow-growers that are outcompeted by fast-growing organisms. We developed a microfluidic platform that anaerobically isolates and cultivates microbial cells in millions of picoliter droplets and automatically sorts droplets based on colony density. We applied our strategy to mouse and human gut microbiomes and used 16S ribosomal RNA gene amplicons to characterize taxonomic composition of cells grown using different media. We found up to 4-fold increase in richness and larger representation of rare taxa among cells grown in droplets compared to conventional culture plates. Automated sorting of droplets for slow-growing colonies further enhanced the relative abundance of rare populations. Our method improves the cultivation and analysis of diverse microbiomes to gain deeper insights into microbial functioning and lifestyles.

Bacteroides fragilis comprises 1-5% of the gut microbiota in healthy humans but can expand to >50% of the population in ulcerative colitis (UC) patients experiencing inflammation. The mechanisms underlying such microbial blooms are poorly understood, but the gut of UC patients has physicochemical features that differ from healthy patients and likely impact microbial physiology. For example, levels of the secondary bile acid deoxycholate (DC) are highly reduced in the ileoanal J-pouch of UC colectomy patients. We isolated a B. fragilis strain from a UC patient with pouch inflammation (i.e. pouchitis) and developed it as a genetic model system to identify genes and pathways that are regulated by DC and that impact B. fragilis fitness in DC and crude bile. Treatment of B. fragilis with a physiologically relevant concentration of DC reduced cell growth and remodeled transcription of one-quarter of the genome. DC strongly induced expression of chaperones and select transcriptional regulators and efflux systems and downregulated protein synthesis genes. Using a barcoded collection of ≈50,000 unique insertional mutants, we further defined B. fragilis genes that contribute to fitness in media containing DC or crude bile. Genes impacting cell envelope functions including cardiolipin synthesis, cell surface glycosylation, and systems implicated in sodium-dependent bioenergetics were major bile acid fitness factors. As expected, there was limited overlap between transcriptionally regulated genes and genes that impacted fitness in bile when disrupted. Our study provides a genome-scale view of a B. fragilis bile response and genetic determinants of its fitness in DC and crude bile.