Hydra, first described by Anton van Leeuwenhoek in a letter to the Royal Society in 1702, has been studied by biologists for centuries and now is an important model for work on axial patterning, stem cell biology and regeneration. Its genome, over half of which is made up of mobile elements, has now been sequenced, as has the genome of a Curvibacter sp. bacterium stably associated with Hydra magnipapillata. Comparisons of the Hydra genome with those of other animals provide insights into the evolution of epithelia, contractile tissues, developmentally regulated transcription factors, pluripotency genes and the neuromuscular junction, as well as the Spemann–Mangold organizer, the region in the early embryo that establishes the embryo's axis. The freshwater cnidarian Hydra is a significant model for studies of axial patterning, stem cell biology and regeneration. Its (A+T)-rich genome has now been sequenced. Comparison of this genome with those of other animals provides insights into the evolution of epithelia, contractile tissues, developmentally regulated transcription factors, pluripotency genes and more. The freshwater cnidarian Hydra was first described in 17021 and has been the object of study for 300 years. Experimental studies of Hydra between 1736 and 1744 culminated in the discovery of asexual reproduction of an animal by budding, the first description of regeneration in an animal, and successful transplantation of tissue between animals2. Today, Hydra is an important model for studies of axial patterning3, stem cell biology4 and regeneration5. Here we report the genome of Hydra magnipapillata and compare it to the genomes of the anthozoan Nematostella vectensis6 and other animals. The Hydra genome has been shaped by bursts of transposable element expansion, horizontal gene transfer, trans-splicing, and simplification of gene structure and gene content that parallel simplification of the Hydra life cycle. We also report the sequence of the genome of a novel bacterium stably associated with H. magnipapillata. Comparisons of the Hydra genome to the genomes of other animals shed light on the evolution of epithelia, contractile tissues, developmentally regulated transcription factors, the Spemann–Mangold organizer, pluripotency genes and the neuromuscular junction.

Given the complexity of host-microbiota symbioses, scientists and philosophers are asking questions at new biological levels of hierarchical organization-what is a holobiont and hologenome? When should this vocabulary be applied? Are these concepts a null hypothesis for host-microbe systems or limited to a certain spectrum of symbiotic interactions such as host-microbial coevolution? Critical discourse is necessary in this nascent area, but productive discourse requires that skeptics and proponents use the same lexicon. For instance, critiquing the hologenome concept is not synonymous with critiquing coevolution, and arguing that an entity is not a primary unit of selection dismisses the fact that the hologenome concept has always embraced multilevel selection. Holobionts and hologenomes are incontrovertible, multipartite entities that result from ecological, evolutionary, and genetic processes at various levels. They are not restricted to one special process but constitute a wider vocabulary and framework for host biology in light of the microbiome.

Characterization of the innate immune repertoire of extant cnidarians is of both fundamental and applied interest - it not only provides insights into the basic immunological 'tool kit' of the common ancestor of all animals, but is also likely to be important in understanding the global decline of coral reefs that is presently occurring. Recently, whole genome sequences became available for two cnidarians, Hydra magnipapillata and Nematostella vectensis, and large expressed sequence tag (EST) datasets are available for these and for the coral Acropora millepora. To better understand the basis of innate immunity in cnidarians, we scanned the available EST and genomic resources for some of the key components of the vertebrate innate immune repertoire, focusing on the Toll/Toll-like receptor (TLR) and complement pathways. A canonical Toll/TLR pathway is present in representatives of the basal cnidarian class Anthozoa, but neither a classic Toll/TLR receptor nor a conventional nuclear factor (NF)-κB could be identified in the anthozoan Hydra. Moreover, the detection of complement C3 and several membrane attack complex/perforin domain (MAC/PF) proteins suggests that a prototypic complement effector pathway may exist in anthozoans, but not in hydrozoans. Together with data for several other gene families, this implies that Hydra may have undergone substantial secondary gene loss during evolution. Such losses are not confined to Hydra, however, and at least one MAC/PF gene appears to have been lost from Nematostella. Consideration of these patterns of gene distribution underscores the likely significance of gene loss during animal evolution whilst indicating ancient origins for many components of the vertebrate innate immune system.

Epithelia in animals are colonized by complex communities of microbes. Although a topic of long-standing interest, understanding the evolution of the microbial communities and their role in triggering innate immune responses has resisted analysis. Cnidaria are among the simplest animals at the tissue grade of organization. To obtain a better understanding of the microbiota associated with phylogenetically ancient epithelia, we have identified the epibiotic and endosymbiotic bacteria of two species of the cnidarian Hydra on the basis of rRNA comparisons. We analyzed individuals of Hydra oligactis and Hydra vulgaris from both laboratory cultures and the wild. We discovered that individuals from both species differ greatly in their bacterial microbiota. Although H. vulgaris polyps have a quite diverse microbiota, H. oligactis appears to be associated with only a limited number of microbes; some of them were found, unexpectedly, to be endosymbionts. Surprisingly, the microfauna showed similar characteristics in individuals of cultures maintained in the laboratory for >30 years and polyps directly isolated from the wild. The significant differences in the microbial communities between the two species and the maintenance of specific microbial communities over long periods of time strongly indicate distinct selective pressures imposed on and within the epithelium. Our analysis suggests that the Hydra epithelium actively selects and shapes its microbial community.

Abstract Almost all animals and plants are inhabited by diverse communities of microorganisms, the microbiota, thereby forming an integrated entity, the metaorganism. Natural selection should favor hosts that shape the community composition of these microbes to promote a beneficial host-microbe symbiosis. Indeed, animal hosts often pose selective environments, which only a subset of the environmentally available microbes are able to colonize. How these microbes assemble after colonization to form the complex microbiota is less clear. Neutral models are based on the assumption that the alternatives in microbiota community composition are selectively equivalent and thus entirely shaped by random population dynamics and dispersal. Here, we use the neutral model as a null hypothesis to assess microbiata composition in host organisms, which does not rely on invoking any adaptive processes underlying microbial community assembly. We show that the overall microbiota community structure from a wide range of host organisms, in particular including previously understudied invertebrates, is in many cases consistent with neutral expectations. Our approach allows to identify individual microbes that are deviating from the neutral expectation and which are therefore interesting candidates for further study. Moreover, using simulated communities we demonstrate that transient community states may play a role in the deviations from the neutral expectation. Our findings highlight that the consideration of neutral processes and temporal changes in community composition are critical for an in-depth understanding of microbiota-host interactions.

Abstract Microbial communities are accompanied by a diverse array of viruses. Through infections of abundant microbes, these viruses have the potential to mediate competition within the community, effectively weakening competitive interactions and promoting coexistence. This is of particular relevance for host-associated microbial communities, since the diversity of the microbiota has been linked to host health and functioning. Here, we study the interaction between two key members of the microbiota of the freshwater metazoan Hydra vulgaris . The two commensal bacteria Curvibacter sp. and Duganella sp. protect their host from fungal infections, but only if both of them are present. Coexistence of the two bacteria is thus beneficial for Hydra . Intriguingly, Duganella sp. appears to be the superior competitor in vitro due to its higher growth rate when both bacteria are grown seperately, but in coculture the outcome of competition depends on the relative initial abundances of the two species. The presence of an inducible prophage in the Curvibacter sp. genome which is able to lytically infect Duganella sp., led us to hypothesise that the phage modulates the interaction between these two key members of the Hydra microbiota. Using a mathematical model we show that the interplay of the lysogenic life-cycle of the Curvibacter phage and the lytic life-cycle on Duganella sp. can explain the observed complex competitive interaction between the two bacteria. Our results highlight the importance of taking lysogeny into account for understanding microbe-virus interactions and show the complex role phages can play in promoting coexistence of their bacterial hosts.

Abstract Many multicellular organisms are closely associated with a specific bacterial community and therefore considered “metaorganisms”. Controlling the bacterial community composition is essential for the stability and function of metaorganisms, but the factors contributing to the maintenance of host specific bacterial colonization are poorly understood. Here we demonstrate that in Hydra the most dominant bacterial colonizer Curvibacter sp. is associated with an intact prophage which can be induced by different environmental stressors both in vitro and in vivo . Differences in the induction capacity of Curvibacter phage TJ1 in culture ( in vitro) and on Hydra ( in vivo ) imply that the habitat of the prokaryotic host and/or bacterial frequency dependent factors influence phage inducibility. Moreover, we show that phage TJ1 features a broad host range against other bacterial colonizer and is directly capable to affect bacterial colonization on Hydra. From these results we conclude that prophages are hidden part of the microbiome interfering with bacteria-bacteria interactions and have the potential to influence the composition of host associated bacterial communities.

Summary Although recent studies indicate the impact of microbes on the central nervous systems and behavior, it remains unclear how the relationship between the functionality of the nervous system, behavior and the microbiota arise. We studied the eating behavior of Hydra, a host that has a simple nervous system and a low-complexity microbiota. To identify the neuronal subpopulations involved, we used a subpopulation specific cell ablation system and calcium imaging. The role of the microbiota was uncovered by reducing the diversity of the natural microbiota. Here, we demonstrate that different neuronal subpopulations are functioning together to control the eating behavior. The microbiota participates in control of the eating behavior since germ-free or mono-colonized animals have drastic difficulties in mouth opening. This was restored by adding a full complement of the microbiota. In summary, we provide a mechanistic explanation of how the eating behavior is controlled in Hydra and how microbes can affect the neuronal circuit. Highlights - Multiple neuronal modules and their networks control complex behavior in an animal lacking a central nervous system. - Its associated microbes participate in these neuronal circuits and influence the eating behavior. - Disorganization of the microbiota negatively impacts this eating behavior. - Glutamate participates in an evolutionary ancient interkingdom language.

Organisms and their resident microbial communities form a complex and mostly stable ecosystem. It is known that the specific composition and abundance of certain bacterial species affect host health and fitness, but the processes that lead to these microbial patterns are unknown. We investigate this by deconstructing the simple microbiome of the freshwater polyp Hydra . We contrast the performance of its two main bacterial associates, Curvibacter and Duganella , on germ free hosts with two in vitro environments over time. We show that interactions within the microbiome but also the host environment lead to the observed species frequencies and abundances. More specifically, we find that both microbial species can only stably coexist in the host environment, whereas Duganella outcompetes Curvibacter in both in vitro environments irrespective of initial starting frequencies. While Duganella seems to benefit through secretions of Curvibacter , its competitive effect on Curvibacter depends upon direct contact. The competition might potentially be mitigated through the spatial structure of the two microbial species on the host, which would explain why both species stably coexist on the host. Interestingly, the fractions of both species on the host do not match the fractions reported previously nor the overall microbiome carrying capacity as reported in this study. Both observations indicate that the rare microbial community members might be relevant for achieving the native community composition and carrying capacity. Our study highlights that for dissecting microbial interactions the specific environmental conditions need to be replicated, a goal difficult to achieve with in vitro systems.Importance This work studies microbial interactions within the microbiome of the simple cnidarian, Hydra , and investigates whether microbial species coexistence and community stability depends on the host environment. We find that the outcome of the interaction between the two most dominant bacterial species in Hydra ’s microbiome differs depending on the environment and only results in a stable coexistence in the host context. The interactive ecology between the host, the two most dominant microbes, but also the less abundant members of the microbiome, are critically important for achieving the native community composition. This indicates that the metaorganism environment needs to be taken into account when studying microbial interactions.

Abstract Research on microbial communities colonizing animals has revealed that the microbiota, despite its typical containment to surfaces, influences virtually all organ systems of the host. In absence of a natural microbiota, the host’s development can be disturbed, but how developmental programs are affected by the microbiota is still poorly understood. Removing the microbiota from Hydra , a classic model animal in developmental biology, causes drastic developmental malformations and leads to polyps that temporarily lack the ability to bud. Recolonizing non-budding germfree Hydra with bacteria reverses this budding inhibition. Single-cell RNA sequencing and trajectory-based differential expression analysis showed that epithelial stem cell decision making is disturbed in non-budding polyps, whereby key developmental regulators are not expressed. This process is reversible by adding back bacteria. Transcriptionally silencing of one of the genes that failed to be activated in non-budding animals, GAPR1, led to polyps that have a significantly reduced budding capacity. The results show that maintaining a species-specific microbiota may enable the animal host to maintain its developmental program. Significance Statement Animal developmental programs work within the context of coevolved associations with microbes. Here, we provide mechanistic evidence of the involvement of the microbiota in maintaining the pattern formation program of Hydra with the asexual formation of buds in the lower part of the body column. We demonstrate that in the absence of bacteria key regulatory factors are not expressed, causing changes in stem cell trajectories that result in loss of budding capacity. This study provides a new perspective on the role that microbiota play during animal development and evolution. One Sentence Summary Microbiota interfere with Hydra ’s asexual reproduction via modulating its stem cell differentiation programs.