Bacillus cereus is an opportunistic pathogen causing food poisoning manifested by diarrhoeal or emetic syndromes1. It is closely related to the animal and human pathogen Bacillus anthracis and the insect pathogen Bacillus thuringiensis, the former being used as a biological weapon and the latter as a pesticide. B. anthracis and B. thuringiensis are readily distinguished from B. cereus by the presence of plasmid-borne specific toxins (B. anthracis and B. thuringiensis) and capsule (B. anthracis). But phylogenetic studies based on the analysis of chromosomal genes bring controversial results, and it is unclear whether B. cereus, B. anthracis and B. thuringiensis are varieties of the same species2 or different species3,4. Here we report the sequencing and analysis of the type strain B. cereus ATCC 14579. The complete genome sequence of B. cereus ATCC 14579 together with the gapped genome of B. anthracis A20125 enables us to perform comparative analysis, and hence to identify the genes that are conserved between B. cereus and B. anthracis, and the genes that are unique for each species. We use the former to clarify the phylogeny of the cereus group, and the latter to determine plasmid-independent species-specific markers.

Complete genome DNA sequence and analysis is presented for Wolbachia, the obligate alpha-proteobacterial endosymbiont required for fertility and survival of the human filarial parasitic nematode Brugia malayi. Although, quantitatively, the genome is even more degraded than those of closely related Rickettsia species, Wolbachia has retained more intact metabolic pathways. The ability to provide riboflavin, flavin adenine dinucleotide, heme, and nucleotides is likely to be Wolbachia's principal contribution to the mutualistic relationship, whereas the host nematode likely supplies amino acids required for Wolbachia growth. Genome comparison of the Wolbachia endosymbiont of B. malayi (wBm) with the Wolbachia endosymbiont of Drosophila melanogaster (wMel) shows that they share similar metabolic trends, although their genomes show a high degree of genome shuffling. In contrast to wMel, wBm contains no prophage and has a reduced level of repeated DNA. Both Wolbachia have lost a considerable number of membrane biogenesis genes that apparently make them unable to synthesize lipid A, the usual component of proteobacterial membranes. However, differences in their peptidoglycan structures may reflect the mutualistic lifestyle of wBm in contrast to the parasitic lifestyle of wMel. The smaller genome size of wBm, relative to wMel, may reflect the loss of genes required for infecting host cells and avoiding host defense systems. Analysis of this first sequenced endosymbiont genome from a filarial nematode provides insight into endosymbiont evolution and additionally provides new potential targets for elimination of cutaneous and lymphatic human filarial disease.

Brucella melitensis is a facultative intracellular bacterial pathogen that causes abortion in goats and sheep and Malta fever in humans. The genome of B. melitensis strain 16M was sequenced and found to contain 3,294,935 bp distributed over two circular chromosomes of 2,117,144 bp and 1,177,787 bp encoding 3,197 ORFs. By using the bioinformatics suite ERGO, 2,487 (78%) ORFs were assigned functions. The origins of replication of the two chromosomes are similar to those of other alpha-proteobacteria. Housekeeping genes, including those involved in DNA replication, transcription, translation, core metabolism, and cell wall biosynthesis, are distributed on both chromosomes. Type I, II, and III secretion systems are absent, but genes encoding sec-dependent, sec-independent, and flagella-specific type III, type IV, and type V secretion systems as well as adhesins, invasins, and hemolysins were identified. Several features of the B. melitensis genome are similar to those of the symbiotic Sinorhizobium meliloti.

The lactic acid bacterium Streptococcus thermophilus is widely used for the manufacture of yogurt and cheese. This dairy species of major economic importance is phylogenetically close to pathogenic streptococci, raising the possibility that it has a potential for virulence. Here we report the genome sequences of two yogurt strains of S. thermophilus. We found a striking level of gene decay (10% pseudogenes) in both microorganisms. Many genes involved in carbon utilization are nonfunctional, in line with the paucity of carbon sources in milk. Notably, most streptococcal virulence-related genes that are not involved in basic cellular processes are either inactivated or absent in the dairy streptococcus. Adaptation to the constant milk environment appears to have resulted in the stabilization of the genome structure. We conclude that S. thermophilus has evolved mainly through loss-of-function events that remarkably mirror the environment of the dairy niche resulting in a severely diminished pathogenic potential.

The complete genomic sequence of Pseudomonas syringae pv. syringae B728a ( Pss B728a) has been determined and is compared with that of P. syringae pv. tomato DC3000 ( Pst DC3000). The two pathovars of this economically important species of plant pathogenic bacteria differ in host range and other interactions with plants, with Pss having a more pronounced epiphytic stage of growth and higher abiotic stress tolerance and Pst DC3000 having a more pronounced apoplastic growth habitat. The Pss B728a genome (6.1 Mb) contains a circular chromosome and no plasmid, whereas the Pst DC3000 genome is 6.5 mbp in size, composed of a circular chromosome and two plasmids. Although a high degree of similarity exists between the two sequenced Pseudomonads, 976 protein-encoding genes are unique to Pss B728a when compared with Pst DC3000, including large genomic islands likely to contribute to virulence and host specificity. Over 375 repetitive extragenic palindromic sequences unique to Pss B728a when compared with Pst DC3000 are widely distributed throughout the chromosome except in 14 genomic islands, which generally had lower GC content than the genome as a whole. Content of the genomic islands varies, with one containing a prophage and another the plasmid pKLC102 of Pseudomonas aeruginosa PAO1. Among the 976 genes of Pss B728a with no counterpart in Pst DC3000 are those encoding for syringopeptin, syringomycin, indole acetic acid biosynthesis, arginine degradation, and production of ice nuclei. The genomic comparison suggests that several unique genes for Pss B728a such as ectoine synthase, DNA repair, and antibiotic production may contribute to the epiphytic fitness and stress tolerance of this organism.

Soil bacteria that also form mutualistic symbioses in plants encounter two major levels of selection. One occurs during adaptation to and survival in soil, and the other occurs in concert with host plant speciation and adaptation. Actinobacteria from the genus Frankia are facultative symbionts that form N 2 -fixing root nodules on diverse and globally distributed angiosperms in the “actinorhizal” symbioses. Three closely related clades of Frankia sp. strains are recognized; members of each clade infect a subset of plants from among eight angiosperm families. We sequenced the genomes from three strains; their sizes varied from 5.43 Mbp for a narrow host range strain ( Frankia sp. strain HFPCcI3) to 7.50 Mbp for a medium host range strain ( Frankia alni strain ACN14a) to 9.04 Mbp for a broad host range strain ( Frankia sp. strain EAN1pec.) This size divergence is the largest yet reported for such closely related soil bacteria (97.8%–98.9% identity of 16S rRNA genes). The extent of gene deletion, duplication, and acquisition is in concert with the biogeographic history of the symbioses and host plant speciation. Host plant isolation favored genome contraction, whereas host plant diversification favored genome expansion. The results support the idea that major genome expansions as well as reductions can occur in facultative symbiotic soil bacteria as they respond to new environments in the context of their symbioses.

Metagenomics is a rapidly emerging field of research for studying microbial communities. To evaluate methods presently used to process metagenomic sequences, we constructed three simulated data sets of varying complexity by combining sequencing reads randomly selected from 113 isolate genomes. These data sets were designed to model real metagenomes in terms of complexity and phylogenetic composition. We assembled sampled reads using three commonly used genome assemblers (Phrap, Arachne and JAZZ), and predicted genes using two popular gene-finding pipelines (fgenesb and CRITICA/GLIMMER). The phylogenetic origins of the assembled contigs were predicted using one sequence similarity–based (blast hit distribution) and two sequence composition–based (PhyloPythia, oligonucleotide frequencies) binning methods. We explored the effects of the simulated community structure and method combinations on the fidelity of each processing step by comparison to the corresponding isolate genomes. The simulated data sets are available online to facilitate standardized benchmarking of tools for metagenomic analysis. Please visit methagora to view and post comments on this article

Abstract Evaluating metagenomic software is key for optimizing metagenome interpretation and focus of the community-driven initiative for the Critical Assessment of Metagenome Interpretation (CAMI). In its second challenge, CAMI engaged the community to assess their methods on realistic and complex metagenomic datasets with long and short reads, created from ∼1,700 novel and known microbial genomes, as well as ∼600 novel plasmids and viruses. Altogether 5,002 results by 76 program versions were analyzed, representing a 22x increase in results. Substantial improvements were seen in metagenome assembly, some due to using long-read data. The presence of related strains still was challenging for assembly and genome binning, as was assembly quality for the latter. Taxon profilers demonstrated a marked maturation, with taxon profilers and binners excelling at higher bacterial taxonomic ranks, but underperforming for viruses and archaea. Assessment of clinical pathogen detection techniques revealed a need to improve reproducibility. Analysis of program runtimes and memory usage identified highly efficient programs, including some top performers with other metrics. The CAMI II results identify current challenges, but also guide researchers in selecting methods for specific analyses.