A global map of soil bacteria Soil bacteria play key roles in regulating terrestrial carbon dynamics, nutrient cycles, and plant productivity. However, the natural histories and distributions of these organisms remain largely undocumented. Delgado-Baquerizo et al. provide a survey of the dominant bacterial taxa found around the world. In soil collections from six continents, they found that only 2% of bacterial taxa account for nearly half of the soil bacterial communities across the globe. These dominant taxa could be clustered into ecological groups of co-occurring bacteria that share habitat preferences. The findings will allow for a more predictive understanding of soil bacterial diversity and distribution. Science , this issue p. 320

Abstract Although bacteria within the Verrucomicrobia phylum are pervasive in soils around the world, they are underrepresented in both isolate collections and genomic databases. Here we describe a single verrucomicrobial phylotype within the class Spartobacteria that is not closely related to any previously described taxa. We examined >1000 soils and found this spartobacterial phylotype to be ubiquitous and consistently one of the most abundant soil bacterial phylotypes, particularly in grasslands, where it was typically the most abundant phylotype. We reconstructed a nearly complete genome of this phylotype from a soil metagenome for which we propose the provisional name ‘ Candidatus Udaeobacter copiosus’. The Ca . U. copiosus genome is unusually small for soil bacteria, estimated to be only 2.81 Mbp compared to the predicted effective mean genome size of 4.74 Mbp for soil bacteria. Metabolic reconstruction suggests that Ca . U. copiosus is an aerobic chemoorganoheterotroph with numerous amino acid and vitamin auxotrophies. The large population size, relatively small genome and multiple putative auxotrophies characteristic of Ca . U. copiosus suggests that it may be undergoing streamlining selection to minimize cellular architecture, a phenomenon previously thought to be restricted to aquatic bacteria. Although many soil bacteria need relatively large, complex genomes to be successful in soil, Ca . U. copiosus appears to have identified an alternate strategy, sacrificing metabolic versatility for efficiency to become dominant in the soil environment.

Abstract Rapid bacterial growth depends on the speed at which ribosomes can translate mRNA into proteins. mRNAs that encode successive stretches of proline can cause ribosomes to stall, substantially reducing translation speed. Such stalling is especially detrimental for species that must grow and divide rapidly. Here we focus on di-prolyl motifs (XXPPX) and ask whether their incidence varies with growth rate. To find out we conducted a broad survey of such motifs in >3000 bacterial genomes across 36 phyla. Indeed, fast-growing species encode fewer motifs than slow-growing species, especially in highly expressed proteins. We also found many di-prolyl motifs within thermophiles, where prolines can help maintain proteome stability. Moreover, bacteria with complex, multicellular lifecycles also encode many di-prolyl motifs. This is especially evident in the slow-growing phylum Myxococcota. Bacteria in this phylum encode many serine-threonine kinases, and many di-prolyl motifs at potential phosphorylation sites within these kinases. Serine-threonine kinases are involved in cell signaling and help regulate developmental processes linked to multicellularity in the Myxococcota. Altogether, our observations suggest that weakened selection on translational rate, whether due to slow or thermophilic growth, may allow di-prolyl motifs to take on new roles in biological processes that are unrelated to translational rate.

Abstract Polyproline sequences (XPPX) stall ribosomes, thus being deleterious for all living organisms. In bacteria, translation elongation factor P (EF-P) plays a crucial role in overcoming such arrests. 12% of eubacteria possess an EF-P paralog – YeiP (EfpL) of unknown function. Here, we functionally and structurally characterize EfpL from Escherichia coli and demonstrate its yet unrecognized role in the translational stress response. Through ribosome profiling, we analyzed the EfpL arrest motif spectrum and discovered additional stalls beyond the canonical XPPX motifs at single-proline sequences (XPX), that both EF-P and EfpL can resolve. Notably, the two factors can also induce pauses. We further report that, contrary to the housekeeping EF-P, EfpL can sense the metabolic state of the cell, via lysine acylation. Together, our work uncovers a new player in ribosome rescue at proline-containing sequences, and provides evidence that co-occurrence of EF-P and EfpL is an evolutionary driver for higher bacterial growth rates.

Ribosomes are essential to cellular life and the genes for their RNA components are the most conserved and transcribed genes in Bacteria and Archaea. These ribosomal rRNA genes are typically organized into a single operon, an arrangement that is thought to facilitate gene regulation. In reality, some Bacteria and Archaea do not share this canonical rRNA arrangement-their 16S and 23S rRNA genes are not co-located, but are instead separated across the genome and referred to as “unlinked”. This rearrangement has previously been treated as a rare exception or a byproduct of genome degradation in obligate intracellular bacteria. Here, we leverage complete genome and long-read metagenomic data to show that unlinked 16S and 23S rRNA genes are much more common than previously thought. Unlinked rRNA genes occur in many phyla, most significantly within Deinococcus-Thermus, Chloroflexi, Planctomycetes, and Euryarchaeota, and occur in differential frequencies across natural environments. We found that up to 41% of the taxa in soil, including dominant taxa, had unlinked rRNA genes, in contrast to the human gut, where all sequenced rRNA genes were linked. The frequency of unlinked rRNA genes may reflect meaningful life history traits, as they tend to be associated with a mix of slow-growing free-living species and obligatory intracellular species. Unlinked rRNA genes are also associated with changes in RNA metabolism, notably the loss of RNaseIII. We propose that unlinked rRNA genes may confer selective advantages in some environments, though the specific nature of these advantages remains undetermined and worthy of further investigation.

Abstract Protein synthesis is influenced by the chemical and structural properties of the amino acids incorporated into the polypeptide chain. Motifs with consecutive prolines can slow down translation speed and cause ribosome stalling. Translation elongation factor P (EF-P) facilitates peptide bond formation in these motifs, thereby alleviating stalled ribosomes and restoring regular translational speed. Ribosome pausing at various polyproline motifs has been intensively studied using a range of sophisticated techniques, including ribosome profiling, proteomics, and in vivo screenings with reporters incorporated into the chromosome. However, the full spectrum of motifs which cause translational pausing in Escherichia coli has not yet been identified. Here we describe a plasmid-based dual reporter for rapid assessment of pausing motifs. This reporter contains two coupled genes encoding mScarlet-I and chloramphenicol acetyltransferase to screen motif libraries based on both bacterial fluorescence and survival. In combination with a diprolyl motif library, we use this reporter to reveal motifs of different pausing strengths in an E. coli strain lacking efp. Subsequently, we use the reporter for a high-throughput screen of four motif libraries, with and without prolines at different positions, sorted by fluorescence-associated cell sorting (FACS) and identify new motifs that influence translational efficiency of the fluorophore. Our study provides an in vivo platform for rapid screening of amino acid motifs that affect translational efficiencies.

Prolines take longer than other amino acids to be incorporated into nascent proteins and cause ribosomes to stall during translation. This phenomenon occurs in all domains of life and is exacerbated at polyproline motifs. Such stalling can be eased by elongation factor P (EFP) in bacteria. We discovered a potential connection between horizontally transferred EFP variants and genomic signs of EFP dysfunction. Horizontal transfer of the efp gene has occurred several times throughout the bacterial tree of life, and such transfer events are associated with the loss of otherwise highly conserved polyproline motifs. In this study, we pinpoint cases of horizontal EFP transfer among a diverse set of bacterial genomes and examine the consequences of these events on genome evolution in the phyla Thermotogota and Planctomycetes. In these phyla, horizontal EFP transfer is not only associated with the loss of conserved polyproline motifs, but also with the loss of entire polyproline motif containing proteins, whose expression is likely dependent on EFP. In particular, three proteases (Lon, ClpC, and FtsH) and three tRNA synthetases (ValS, IleS1, IleS2) appear highly sensitive to EFP transfer. The conserved polyproline motifs within these proteins all reside within, or in close proximity to ATP binding regions, some of which have been shown to be crucial to their function. Our work shows that the horizontal transfer of EFP has left genomic traces that persist to this day. It also implies that the process of 9domesticating9 a horizontally transferred efp gene can perturb the overall function of EFP.

Few studies have comprehensively investigated the temporal variability in soil microbial communities despite widespread recognition that the belowground environment is dynamic. In part, this stems from the challenges associated with the high degree of spatial heterogeneity in soil microbial communities and because the presence of relic DNA (DNA from non-living cells) may dampen temporal signals. Here we disentangle the relationships among spatial, temporal, and relic DNA effects on bacterial, archaeal, and fungal communities in soils collected from contrasting hillslopes in Colorado, USA. We intensively sampled plots on each hillslope over six months to discriminate between temporal variability, intra-plot spatial heterogeneity, and relic DNA effects on the soil prokaryotic and fungal communities. We show that the intra-plot spatial variability in microbial community composition was strong and independent of relic DNA effects with these spatial patterns persisting throughout the study. When controlling for intra-plot spatial variability, we identified significant temporal variability in both plots over the six-month study. These microbial communities were more dissimilar over time after relic DNA was removed, suggesting that relic DNA hinders the detection of important temporal dynamics in belowground microbial communities. We identified microbial taxa that exhibited shared temporal responses and show these responses were often predictable from temporal changes in soil conditions. Our findings highlight approaches that can be used to better characterize temporal shifts in soil microbial communities, information that is critical for predicting the environmental preferences of individual soil microbial taxa and identifying linkages between soil microbial community composition and belowground processes.Importance Nearly all microbial communities are dynamic in time. Understanding how temporal dynamics in microbial community structure affect soil biogeochemistry and fertility are key to being able to predict the responses of the soil microbiome to environmental perturbations. Here we explain the effects of soil spatial structure and relic DNA on the determination of microbial community fluctuations over time. We found that intensive spatial sampling is required to identify temporal effects in microbial communities because of the high degree of spatial heterogeneity in soil and that DNA from non-living microbial cells masks important temporal patterns. We identified groups of microbes that display correlated behavior over time and show that these patterns are predictable from soil characteristics. These results provide insight into the environmental preferences and temporal relationships between individual microbial taxa and highlight the importance of considering relic DNA when trying to detect temporal dynamics in belowground communities.

While most bacterial and archaeal taxa living in surface soils remain undescribed, this problem is exacerbated in deeper soils owing to the unique oligotrophic conditions found in the subsurface. Additionally, previous studies of soil microbiomes have focused almost exclusively on surface soils, even though the microbes living in deeper soils also play critical roles in a wide range of biogeochemical processes. We examined soils collected from 20 distinct profiles across the U.S. to characterize the bacterial and archaeal communities that live in subsurface soils and to determine whether there are consistent changes in soil microbial communities with depth across a wide range of soil and environmental conditions. We found that bacterial and archaeal diversity generally decreased with depth, as did the degree of similarity of microbial communities to those found in surface horizons. We observed five phyla that consistently increased in relative abundance with depth across our soil profiles: Chloroflexi, Nitrospirae, Euryarchaeota, and candidate phyla GAL15 and Dormibacteraeota (formerly AD3). Leveraging the unusually high abundance of Dormibacteraeota at depth, we assembled genomes representative of this candidate phylum and identified traits that are likely to be beneficial in low nutrient environments, including the synthesis and storage of carbohydrates, the potential to use carbon monoxide (CO) as a supplemental energy source, and the ability to form spores. Together these attributes likely allow members of the candidate phylum Dormibacteraeota to flourish in deeper soils and provide insight into the survival and growth strategies employed by the microbes that thrive in oligotrophic soil environments.