Abstract A surprising diversity and abundance of microorganisms resides in the cold desert soils of Antarctica. The metabolic processes that sustain them, however, are poorly understood. In this study, we used metagenomic and biogeochemical approaches to study the microbial communities in 16 physicochemically diverse mountainous and glacial soils from remote sites in South Victoria Land, north of the Mackay Glacier. We assembled 451 metagenome-assembled genomes from 18 bacterial and archaeal phyla, constituting the largest resource of Antarctic soil microbial genomes to date. The most abundant and prevalent microorganisms are metabolically versatile aerobes that use atmospheric hydrogen and carbon monoxide to meet energy, carbon, and, through metabolic water production, hydration needs. Phylogenetic analysis and structural modelling infer that bacteria from nine phyla can scavenge atmospheric hydrogen using a previously unreported enzyme family, the group 1l [NiFe]-hydrogenases. Consistently, gas chromatography measurements confirmed most soils rapidly consume atmospheric hydrogen and carbon monoxide, and provide the first experimental evidence of methane oxidation in non-maritime Antarctica. We also recovered genomes of microorganisms capable of oxidizing other inorganic compounds, including nitrogen, sulfur, and iron compounds, as well as harvesting solar energy via photosystems and novel microbial rhodopsins. Bacterial lineages defined by symbiotic lifestyles, including Patescibacteria, Chlamydiae, and predatory Bdellovibrionota, were also surprisingly abundant. We conclude that the dominant microorganisms in Antarctic soils adopt mixotrophic strategies for energy and sometimes carbon acquisition, though they co-exist with diverse bacteria and archaea that adopt more specialist lifestyles. These unprecedented insights and associated genome compendium will inform efforts to protect biodiversity in this continent.

Abstract Ecological theory suggests that habitat disturbance differentially influences distributions of generalist and specialist species. While well-established for macroorganisms, this theory has rarely been explored for microorganisms. Here we tested these principles in permeable (sandy) sediments, ecosystems with much spatiotemporal variation in resource availability and other conditions. Microbial community composition and function was profiled in intertidal and subtidal sediments using 16S amplicon sequencing and metagenomics, yielding 135 metagenome-assembled genomes. Microbial abundance and composition significantly differed with sediment depth and, to a lesser extent, sampling date. Several generalist taxa were highly abundant and prevalent in all samples, including within orders Woeseiales and Flavobacteriales; genome reconstructions indicate these facultatively anaerobic taxa are highly metabolically flexible and adapt to fluctuations in resource availability by using different electron donors and acceptors. In contrast, obligately anaerobic taxa such as sulfate reducers (Desulfobacterales, Desulfobulbales) and proposed candidate phylum MBNT15 were less abundant overall and only thrived in more stable deeper sediments. We substantiated these findings by measuring three metabolic processes in these sediments; whereas the generalist-associated processes of sulfide oxidation and hydrogenogenic fermentation occurred rapidly at all depths, the specialist-associated process of sulfate reduction was restricted to deeper sediments. In addition, a manipulative experiment confirmed generalists outcompete specialist taxa during simulated habitat disturbance. Altogether, these findings suggest that metabolically flexible taxa become dominant in these highly dynamic environments, whereas metabolic specialism restricts bacteria to narrower niches. Thus, an ecological theory describing distribution patterns for macroorganisms likely extends to microorganisms. Such findings have broad ecological and biogeochemical ramifications.

Abstract Metabolic processes in eukaryotic cells depend on interactions between mitochondrial and nuclear gene products (mitonuclear interactions). These interactions could play a direct role in population divergence. We studied the evolution of mitonuclear interactions in a widespread passerine that experienced population divergence followed by bi-directional mitochondrial introgression into different nuclear backgrounds. Using >60,000 SNPs, we quantified patterns of nuclear genetic differentiation between populations that occupy different climates and harbour deeply divergent mitolineages despite ongoing nuclear gene flow. Analyses were performed independently for two sampling transects intersecting mitochondrial divergence in different nuclear backgrounds. In both transects, low genome-wide nuclear differentiation was accompanied by strong differentiation at a ~15.4 Mb region of chromosome 1A. This region is enriched for genes performing mitochondrial functions. Molecular signatures of selective sweeps in this region alongside those in the mitochondrial genome suggest a history of adaptive mitonuclear co-introgression. The chromosome 1A region has elevated linkage disequilibrium, suggesting that selection on genomic architecture may favour low recombination among nuclear-encoded genes with mitochondrial functions. In this system, mitonuclear interactions appear to maintain the geographic separation of two mitolineages in the face of nuclear gene flow, supporting mitonuclear co-evolution as an important vehicle for climatic adaptation and population divergence.

Abstract Background Candidate Phyla Radiation (CPR) bacteria are commonly detected yet enigmatic members of diverse microbial communities. Their host associations, metabolic capabilities, and potential roles in biogeochemical cycles remain under-explored. We studied chemoautotrophically-based biofilms that host diverse CPR bacteria and grow in sulfide-rich springs using bulk geochemical analysis, genome-resolved metagenomics and scanning transmission x-ray microscopy (STXM) at room temperature and 87° K. Results CPR-affiliated Gracilibacteria, Absconditabacteria, Saccharibacteria, Peregrinibacteria, Berkelbacteria, Microgenomates, and Parcubacteria are members of two biofilm communities dominated by chemolithotrophic sulfur-oxidizing bacteria including Thiothrix or Beggiatoa . STXM imaging revealed ultra-small cells along the surfaces of filamentous bacteria that we interpret are CPR bacterial episymbionts. STXM and NEXAFS spectroscopy at carbon K and sulfur L 2,3 edges show protein-encapsulated elemental sulfur spherical granules associated with filamentous bacteria, indicating that they are sulfur-oxidizers, likely Thiothrix . Berkelbacteria and Moranbacteria in the same biofilm sample are predicted to have a novel electron bifurcating group 3b [NiFe]-hydrogenase, putatively a sulfhydrogenase, potentially linked to sulfur metabolism via redox cofactors. This complex could potentially underpin a symbiosis involving Berkelbacteria and/or Moranbacteria and filamentous sulfur-oxidizing bacteria such as Thiothrix that is based on cryptic sulfur cycling. One Doudnabacteria genome encodes adjacent sulfur dioxygenase and rhodanese genes that may convert thiosulfate to sulfite. We find similar conserved genomic architecture associated with CPR bacteria from other sulfur-rich subsurface ecosystems. Conclusions Our combined metagenomic, geochemical, spectromicroscopic and structural bioinformatics analyses link some CPR bacteria to sulfur-oxidizing Proteobacteria, likely Thiothrix , and indicate roles for CPR bacteria in sulfur and hydrogen cycling.

Abstract Molecular hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) are supersaturated in seawater relative to the atmosphere and hence are readily accessible energy sources for marine microbial communities. Yet while marine CO oxidation is well-described, it is unknown whether seawater communities consume H 2 . Here we integrated genome-resolved metagenomics, biogeochemistry, thermodynamic modelling, and culture-based analysis to profile H 2 and CO oxidation by marine bacteria. Based on analysis of 14 surface water samples, collected from three locations spanning tropical to subantarctic fronts, three uptake hydrogenase classes are prevalent in seawater and encoded by major marine families such as Rhodobacteraceae, Flavobacteriaceae, and Sphingomonadaceae. However, they are less abundant and widespread than carbon monoxide dehydrogenases. Consistently, microbial communities in surface waters slowly consumed H 2 and rapidly consumed CO at environmentally relevant concentrations, with H 2 oxidation most active in subantarctic waters. The cell-specific power from these processes exceed bacterial maintenance requirements and, for H 2 , can likely sustain growth of bacteria with low energy requirements. Concordantly, we show that the polar ultramicrobacterium Sphingopyxis alaskensis grows mixotrophically on H 2 by expressing a group 2a [NiFe]-hydrogenase, providing the first demonstration of atmospheric H 2 oxidation by a marine bacterium. Based on TARA Oceans metagenomes, genes for trace gas oxidation are globally distributed and are fourfold more abundant in deep compared to surface waters, highlighting that trace gases are important energy sources especially in energy-limited waters. Altogether, these findings show H 2 is a significant energy source for marine communities and suggest that trace gases influence the ecology and biogeochemistry of oceans globally.

Abstract The lack of microbial genomes and isolates from the deep seabed means that very little is known about the ecology of this vast habitat. Here, we investigated energy and carbon acquisition strategies of microbial communities from three deep seabed petroleum seeps (3 km water depth) in the Eastern Gulf of Mexico. Shotgun metagenomic analysis revealed that each sediment harbored diverse communities of chemoheterotrophs and chemolithotrophs. We recovered 82 metagenome-assembled genomes affiliated with 21 different archaeal and bacterial phyla. Multiple genomes encoded enzymes for anaerobic oxidation of aliphatic and aromatic compounds, including those of candidate phyla Aerophobetes, Aminicenantes, TA06 and Bathyarchaeota. Microbial interactions are predicted to be driven by acetate and molecular hydrogen. These findings are supported by sediment geochemistry, metabolomics, and thermodynamic modelling. Overall, we infer that deep-sea sediments experiencing thermogenic hydrocarbon inputs harbor phylogenetically and functionally diverse communities potentially sustained through anaerobic hydrocarbon, acetate and hydrogen metabolism.

Abstract Background Multiple bacteria, viruses, protists, and helminths cause enteric infections that greatly impact human health and wellbeing. These enteropathogens are transmitted via several pathways through human, animal, and environmental reservoirs. Individual quantitative PCR (qPCR) assays have been extensively used to detect enteropathogens within these types of samples, whereas the TaqMan Array Card (TAC) that allows simultaneous detection of multiple enteropathogens has only previously been validated in human clinical samples. Methods Here, we performed a comprehensive double-blinded comparison of the performance of a custom TAC relative to standard qPCR for the detection of eight enteric targets, by using spiked samples, wastewater from Melbourne (Australia), and human, animal, and environmental samples from informal settlements in Suva, Fiji. Findings Both methods exhibited high and comparable specificity (TAC: 100%, qPCR: 94%), sensitivity (TAC: 92%; qPCR: 100%), and quantitation accuracy (TAC: 91%; qPCR: 99%) in non-inhibited sample matrices. PCR inhibitors substantially impacted detection via TAC, though this issue was alleviated by 10-fold sample dilution. Among samples from informal settlements, the two techniques were comparable for detection (89% agreement) and quantitation (R 2 = 0.82). The TAC additionally included 38 other targets, enabling detection of diverse faecal pathogens and extensive environmental contamination that would be prohibitively labour intensive to assay by standard qPCR. Interpretation Overall, the two techniques produce comparable results across diverse sample types, with qPCR prioritising greater sensitivity and quantitation accuracy, and TAC trading small reductions in these for a cost-effective larger enteropathogen panel that enables a greater number of enteric pathogens to be analysed concurrently, which is beneficial given the abundance and variety of enteric pathogens in environments such as urban informal settlements. The ability to monitor multiple enteric pathogens across diverse reservoirs in turn allows better resolution of pathogen exposure pathways, and the design and monitoring of interventions to reduce pathogen load. Funding Wellcome Trust Our Planet, Our Health program [OPOH grant 205222/Z/16/Z].

Abstract In deep sea cold seeps, diverse microbial communities thrive on the geological seepage of hydrocarbons and inorganic compounds. These chemosynthetically-driven communities are unique in composition, ecology, and biogeochemical activities compared to photosynthetically-driven ecosystems. However, their biosynthetic capabilities remain largely unexplored. Here, we analyzed 81 metagenomes, 33 metatranscriptomes, and seven metabolomes derived from nine globally distributed areas of cold seeps to investigate the secondary metabolites produced by cold seep microbiomes. Cold seep microbiomes encode diverse, abundant, and novel biosynthetic gene clusters (BGCs). Most BGCs are affiliated with understudied bacteria and archaea, including key mediators of methane and sulfur cycling, and multiple candidate phyla. The BGCs encode diverse antimicrobial compounds (e.g. NRPS, PKSs, RiPPs) that potentially shape community dynamics, as well as compounds predicted to influence biogeochemical cycling, such as phosphonates, iron-acquiring siderophores, nitrogenase-protecting glycolipids, and methyl-CoM reductase-modifying proteins. BGCs from key players in cold seeps are widely distributed and highly expressed, with their abundance and expression levels varying with different sediment depths. Numerous unique natural products were detected through untargeted sediment metabolomics, demonstrating a vast, unexplored chemical space and validating in situ expression of the BGCs in cold seep sediments. Overall, these results demonstrate cold seep sediments potentially serve as a reservoir of hidden natural products and provide insights into microbial adaptation in chemosynthetically-driven ecosystems.

Abstract Diverse aerobic bacteria use atmospheric H 2 as an energy source for growth and survival. This recently discovered yet globally significant process regulates the composition of the atmosphere, enhances soil biodiversity, and drives primary production in certain extreme environments. Atmospheric H 2 oxidation has been attributed to still uncharacterised members of the [NiFe]-hydrogenase superfamily. However, it is unresolved how these enzymes overcome the extraordinary catalytic challenge of selectively oxidizing picomolar levels of H 2 amid ambient levels of the catalytic poison O 2 , and how the derived electrons are transferred to the respiratory chain. Here we determined the 1.52 Å resolution CryoEM structure of the mycobacterial hydrogenase Huc and investigated its mechanism by integrating kinetics, electrochemistry, spectroscopy, mass spectrometry, and molecular dynamics simulations. Purified Huc is an oxygen-insensitive enzyme that couples the oxidation of atmospheric H 2 at its large subunit to the hydrogenation of the respiratory electron carrier menaquinone at its small subunit. The enzyme uses a narrow hydrophobic gas channel to selectively bind atmospheric H 2 at the expense of O 2 , while three [3Fe-4S] clusters and their unusual ligation by a D-histidine modulate the electrochemical properties of the enzyme such that atmospheric H 2 oxidation is energetically feasible. Huc forms an 833 kDa complex composed of an octamer of catalytic subunits around a membrane-associated central stalk, which extracts and transports menaquinone a remarkable 94 Å from the membrane, enabling its reduction. These findings provide a mechanistic basis for the biogeochemically and ecologically critical process of atmospheric H 2 oxidation. Through the first characterisation of a group 2 [NiFe]-hydrogenase, we also uncover a novel mode of energy coupling dependent on long-range quinone transport and pave way for the development of biocatalysts that oxidize H 2 in ambient air.

Abstract Deep sea cold seep sediments host abundant and diverse bacterial and archaeal populations that significantly influence biogeochemical cycles. While numerous studies have revealed the community structure and functional capabilities of cold seep microbiomes, little is known about their genetic heterogeneity within species. Here, we examined intraspecies diversity patterns of 39 abundant species identified in sediment layers down to 4.3 mbsf across six cold seep sites from around the world. These species were predicted to participate in methane oxidation and sulfate reduction, and based on their metabolic capabilities, grouped as aerobic methane-oxidizing bacteria (MOB), anaerobic methanotrophic archaea (ANME) and sulfate-reducing bacteria (SRB). These physiologically and phylogenetically diverse MOB, ANME and SRB display different degrees of intrapopulation sequence divergence and different evolutionary trajectories. Populations were in general characterized by low rates of homologous recombination and strong purifying selection with most of the nucleotide variation being synonymous. Functional genes related to methane ( pmoA and mcrA ) and sulfate ( dsrA ) metabolisms were found to be under strong purifying selection in the vast majority of species investigated, although examples of active positive selection were also observed. These genes differed in evolutionary trajectories across phylogenetic clades but are functionally conserved across cold seep sites. Intrapopulation diversification of MOB, ANME and SRB species as well as their mcrA and dsrA genes was observed to be depth-dependent and undergo divergent selection pressures throughout the sediment column. These results highlight the role of the interplay between ecological processes and the evolution of key bacteria and archaea in deep sea cold seep sediments and shed light on how microbial populations adapt in the subseafloor biosphere.