Bacteriophages typically have small genomes

The ionizing-radiation-resistant fractions of two soil bacterial communities were investigated by exposing an arid soil from the Sonoran Desert and a nonarid soil from a Louisiana forest to various doses of ionizing radiation using a (60)Co source. The numbers of surviving bacteria decreased as the dose of gamma radiation to which the soils were exposed increased. Bacterial isolates surviving doses of 30 kGy were recovered from the Sonoran Desert soil, while no isolates were recovered from the nonarid forest soil after exposure to doses greater than 13 kGy. The phylogenetic diversities of the surviving culturable bacteria were compared for the two soils using 16S rRNA gene sequence analysis. In addition to a bacterial population that was more resistant to higher doses of ionizing radiation, the diversity of the isolates was greater in the arid soil. The taxonomic diversity of the isolates recovered was found to decrease as the level of ionizing-radiation exposure increased. Bacterial isolates of the genera Deinococcus, Geodermatophilus, and Hymenobacter were still recovered from the arid soil after exposure to doses of 17 to 30 kGy. The recovery of large numbers of extremely ionizing-radiation-resistant bacteria from an arid soil and not from a nonarid soil provides further ecological support for the hypothesis that the ionizing-radiation resistance phenotype is a consequence of the evolution of other DNA repair systems that protect cells against commonly encountered environmental stressors, such as desiccation. The diverse group of bacterial strains isolated from the arid soil sample included 60 Deinococcus strains, the characterization of which revealed nine novel species of this genus.

Abstract The Chloroflexi superphylum have been investigated primarily from the perspective of reductive dehalogenation of toxic compounds, anaerobic photosynthesis and wastewater treatment, but remain relatively little studied compared to their close relatives within the larger Terrabacteria group, including Cyanobacteria, Actinobacteria, and Firmicutes. Here, we conducted a detailed phylogenetic analysis of the phylum Chloroflexota, the phylogenetically proximal candidate phylum Dormibacteraeota , and a newly defined sibling phylum proposed in the current study, Eulabeiota . These groups routinely root together in phylogenomic analyses, and constitute the Chloroflexi supergroup. Chemoautotrophy is widespread in Chloroflexi. Two Form I Rubisco ancestral subtypes that both lack the small subunit are prevalent in ca. Eulabeiota and Chloroflexota , suggesting that the predominant modern pathway for CO 2 fixation evolved in these groups. The single subunit Form I Rubiscos are inferred to have evolved prior to oxygenation of the Earth’s atmosphere and now predominantly occur in anaerobes. Prevalent in both Chloroflexota and ca. Eulabeiota are capacities related to aerobic oxidation of gases, especially CO and H 2 . In fact, aerobic and anaerobic CO dehydrogenases are widespread throughout every class-level lineage, whereas traits such as denitrification and reductive dehalogenation are heterogeneously distributed across the supergroup. Interestingly, some Chloroflexota have a novel clade of group 3 NiFe hydrogenases that is phylogenetically distinct from previously reported groups. Overall, the analyses underline the very high level of metabolic diversity in the Chloroflexi supergroup, suggesting the ancestral metabolic platform for this group enabled highly varied adaptation to ecosystems that appeared in the aerobic world.

Abstract Candidate Phyla Radiation (CPR) bacteria and DPANN archaea are uncultivated, small-celled symbionts often detected in groundwater. However, variations in CPR/DPANN organism abundance, distribution, taxonomic diversity, and degree/nature of host association with groundwater chemistry remain understudied. Here, we performed genome-resolved metagenomic characterization of one agriculturally-impacted and seven pristine groundwater microbial communities in California, recovering 746 dereplicated CPR and DPANN genomes. Our finding of up to 31% CPR bacteria and 4% DPANN archaea in the pristine sites, which serve as local sources of drinking water, may hold health relevance, given growing awareness of the presence of CPR/DPANN organisms in human microbiomes and their association with disease. There is little species-level genome overlap across groundwater sites, indicating that CPR and DPANN communities are highly differentiated according to host populations and physicochemical conditions. Cryo-TEM imaging and genomic analyses indicate that CPR growth may be stimulated by attachment to the surface of host cells, and identified CPR and DPANN lineages with particularly prevalent and/or resilient host cell attachment. These results establish the huge but site-specific diversity of CPR bacteria and DPANN archaea coexisting with diverse hosts in groundwater aquifers, and raise important questions about potential impacts on human health.

ABSTRACT Candidate Phyla Radiation (CPR) bacteria are small, likely episymbiotic organisms found across Earth’s ecosystems. Despite their prevalence, the distribution of CPR lineages across habitats and the genomic signatures of transitions amongst these habitats remain unclear. Here, we expand the genome inventory for Absconditabacteria (SR1), Gracilibacteria, and Saccharibacteria (TM7), CPR bacteria known to occur in both animal-associated and environmental microbiomes, and investigate variation in gene content with habitat of origin. By overlaying phylogeny with habitat information, we show that bacteria from these three lineages have undergone multiple transitions from environmental habitats into animal microbiomes. Based on co-occurrence analyses of hundreds of metagenomes, we extend the prior suggestion that certain Saccharibacteria have broad bacterial host ranges and constrain possible host relationships for Absconditabacteria and Gracilibacteria. Full-proteome analyses show that animal-associated Saccharibacteria have smaller gene repertoires than their environmental counterparts and are enriched in numerous protein families, including those likely functioning in amino acid metabolism, phage defense, and detoxification of peroxide. In contrast, some freshwater Saccharibacteria encode a putative rhodopsin. For protein families exhibiting the clearest patterns of differential habitat distribution, we compared protein and species phylogenies to estimate the incidence of lateral gene transfer and genomic loss occurring over the species tree. These analyses suggest that habitat transitions were likely not accompanied by large transfer or loss events, but rather were associated with continuous proteome remodeling. Thus, we speculate that CPR habitat transitions were driven largely by availability of suitable host taxa, and were reinforced by acquisition and loss of some capacities. IMPORTANCE Studying the genetic differences between related microorganisms from different environment types can indicate factors associated with their movement among habitats. This is particularly interesting for bacteria from the Candidate Phyla Radiation because their minimal metabolic capabilities require symbiotic associations with microbial hosts. We found that shifts of Absconditabacteria, Gracilibacteria, and Saccharibacteria between environmental ecosystems and mammalian mouths/guts probably did not involve major episodes of gene gain and loss; rather, gradual genomic change likely followed habitat migration. The results inform our understanding of how little-known microorganisms establish in the human microbiota where they may ultimately impact health.

Background Anaerobic ammonium oxidation (anammox) is a biological process employed to remove reactive nitrogen from wastewater. While a substantial body of literature describes the performance of anammox bioreactors under various operational conditions and perturbations, few studies have resolved the metabolic roles of their core microbial community members.Results Here, we used metagenomics to study the microbial community of a laboratory-scale anammox bioreactor from inoculation, through a performance destabilization event, to robust steady-state performance. Metabolic analyses revealed that nutrient acquisition from the environment is selected for in the anammox community. Dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) was the primary nitrogen removal pathway that competed with anammox. Increased replication of bacteria capable of DNRA led to the out-competition of annamox bacteria, and the loss of the bioreactor’s nitrogen removal capacity. These bacteria were highly associated with the anammox bacterium and considered part of the core microbial community.Conclusions Our findings highlight the importance of metabolic interdependencies related to nitrogen- and carbon-cycling within anammox bioreactors and the potentially detrimental effects of bacteria that are otherwise considered core microbial community members.* Anammox : anaerobic ammonium oxidation DNRA : dissimilatory nitrate reduction to ammonium PN : partial nitritation NRR : nitrogen removal rate D0 : day 0 D82 : day 82 D166 : day 166 D284 : day 284 D328 : day 328 D437 : day 437 ANI : average nucleotide identity nMDS : nonmetric multidimensional scaling AA : anammox associated SA : source Associated HMM : Hidden Markov Model KEGG : Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes KO : KEGG Orthology CPR : Candidate Phyla Radiation CI : confidence interval LR : log-ratio RFg : reference frame genome.

Phage typically have small genomes and depend on their bacterial hosts for replication. DNA sequenced from many diverse ecosystems revealed hundreds of huge phage genomes, between 200 kbp and 716 kbp in length. Thirty-four genomes were manually curated to completion, including the largest phage genomes yet reported. Expanded genetic repertoires include diverse and new CRISPR-Cas systems, tRNAs, tRNA synthetases, tRNA modification enzymes, translation initiation and elongation factors, and ribosomal proteins. Phage CRISPR-Cas systems have the capacity to silence host transcription factors and translational genes, potentially as part of a larger interaction network that intercepts translation to redirect biosynthesis to phage-encoded functions. In addition, some phage may repurpose bacterial CRISPR-Cas systems to eliminate competing phage. We phylogenetically define major clades of huge phage from human and other animal microbiomes, oceans, lakes, sediments, soils and the built environment. We conclude that their large gene inventories reflect a conserved biological strategy, observed over a broad bacterial host range and across Earth's ecosystems.

Watersheds are important for supplying fresh water, the quality of which depends on complex interplay involving physical, chemical and biological processes. As water percolates through the soil and underlying weathering rock en route to the river corridor, microorganisms mediate key geochemical transformations, yet the distribution and functional capacities of subsurface microbial communities remain little understood. Here, we used genome resolved metagenomics to study microbial communities during late summer along a 230 m hillslope meadow to floodplain transect within the mountainous East-River watershed, Colorado. We found very limited strain/species overlap at different depths below the ground surface and at different distances along the hillslope, possibly due to restricted hydraulic connectivity after early stages of snowmelt, and show that communities are largely distinct in their metabolic capacities. Both proximity to the river and to the underlying Mancos shale apparently control species distribution and metabolic potential. Functions such as carbon fixation and selenate reduction were prevalent at multiple sites, although the lineages of organisms responsible tend to be location-specific. For example, selenate reduction within the hillslope is linked to Candidate phyla Rokubacteria and Methylomirabillis, but only Deltaproteobacteria are predicted to have this capacity at the floodplain. Based on the abundance of genomically-encoded functions that utilize it as an electron donor or acceptor, sulfur is significantly more important for microbial metabolism at the floodplain compared to on the hillslope. Nitrification and methylamine oxidation are likely only occurring within the floodplain, with nitrification capacity in shallow soil and methylamine oxidation in deeper unsaturated sediment. The capacity for nitrogen fixation was mostly associated with Geobacteraceae and Myxococcales (phylum Deltaproteobacteria) at the floodplain. Thus, we conclude that metabolic potential and microbial community composition vary as a function of depth and distance along a mountainous watershed hillslope to floodplain transect, and that the microbiome of the floodplain compartment plays a significant role in nitrogen fixation and sulfur cycling at this site.