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 Background Little is known about the global distribution and environmental drivers of key microbial functional traits such as antibiotic resistance genes (ARGs). Soils are one of Earth’s largest reservoirs of ARGs, which are integral for soil microbial competition, and have potential implications for plant and human health. Yet, their diversity and global patterns remain poorly described. Here, we analyzed 285 ARGs in soils from 1012 sites across all continents, and created the first global atlas with the distributions of topsoil ARGs. Results We show that ARGs peaked in high latitude cold and boreal forests. Climatic seasonality and mobile genetic elements, associated with the transmission of antibiotic resistance, were also key drivers of their global distribution. Dominant ARGs were mainly related to multidrug resistance genes and efflux pump machineries. We further pinpointed the global hotspots of the diversity and proportions of soil ARGs. Conclusions Together, our work provides the foundation for a better understanding of the ecology and global distribution of the environmental soil antibiotic resistome.

Abstract Microbial biosynthetic gene clusters (BGCs) encoding secondary metabolites are thought to impact a plethora of biologically mediated environmental processes, yet their discovery and functional characterization in natural microbiomes remains challenging. Here we describe deep long-read sequencing and assembly of metagenomes from biological soil crusts, a group of soil communities that are rich in BGCs. Taking advantage of the unusually long assemblies produced by this approach, we recovered nearly 3,000 BGCs for analysis, including 695 novel, full-length BGCs. Functional exploration through metatranscriptome analysis of a 3-day wetting experiment uncovered phylum-specific BGC expression upon activation from dormancy, elucidating distinct roles and complex phylogenetic and temporal dynamics in wetting processes. For example, a pronounced increase in BGC transcription occurs at night in cyanobacteria but not in other phyla, implicating BGCs in nutrient scavenging roles and niche competition. Taken together, our results demonstrate that long-read metagenomic sequencing combined with metatranscriptomic analysis provides a direct view into the functional dynamics of BGCs in environmental processes and suggests a central role of secondary metabolites in maintaining phylogenetically conserved niches within biocrusts.

The balance of nutrients in soil is critical for microbial growth and function, and stoichiometric values below the Redfield ratio for C:N:P can negatively affect microbial ecosystem services. However, few studies have assessed the relationships between nutrient balance and biological productivity in extremely nutrient-poor habitats. The Mackay Glacier region of Eastern Antarctica is a hyper-oligotrophic ice-free desert and is an appropriate landscape to evaluate the effects of nutrient deficiency and imbalance on microbial community ecology. In a survey of multiple, widely dispersed soil samples from this region, we detected only low rates of microbial respiration, and observed that C:N:P ratios were well below those required for optimal activity. In silico metagenomic and soil isotopic ratio (δ15N) analyses indicated that the capacity for nitrogen fixation was low, but that soil microbial communities were enriched for soil nitrate assimilation processes, mostly associated with heterotrophic taxa. δ13C isotope ratio data suggested that carbon dioxide was fixed principally via the Calvin cycle. Genes involved in this pathway were common to all metagenomes and were primarily attributed to members of the dominant soil bacterial phyla: Bacteroidetes and Acidobacteria. The identification of multiple genes encoding non-photoautotrophic RUBISCO and carbon dioxide dehydrogenase enzymes in both the metagenomic sequences and assembled MAGs is suggestive of a trace-gas scavenging physiology in members of these soil communities.