Abstract Ruminant livestock are important sources of human food and global greenhouse gas emissions. Feed degradation and methane formation by ruminants rely on metabolic interactions between rumen microbes and affect ruminant productivity. Rumen and camelid foregut microbial community composition was determined in 742 samples from 32 animal species and 35 countries, to estimate if this was influenced by diet, host species, or geography. Similar bacteria and archaea dominated in nearly all samples, while protozoal communities were more variable. The dominant bacteria are poorly characterised, but the methanogenic archaea are better known and highly conserved across the world. This universality and limited diversity could make it possible to mitigate methane emissions by developing strategies that target the few dominant methanogens. Differences in microbial community compositions were predominantly attributable to diet, with the host being less influential. There were few strong co-occurrence patterns between microbes, suggesting that major metabolic interactions are non-selective rather than specific.

Abstract The characterization of microbial communities by metagenomic approaches has been enhanced by recent improvements in short-read sequencing efficiency and assembly algorithms. We describe the results of adding long-read sequencing to the mix of technologies used to assemble a highly complex cattle rumen microbial community, and compare the assembly to current short read-based methods applied to the same sample. Contigs in the long-read assembly were 7-fold longer on average, and contained 7-fold more complete open reading frames (ORF), than the short read assembly, despite having three-fold lower sequence depth. The linkages between long-read contigs, provided by proximity ligation data, supported identification of 188 novel viral-host associations in the rumen microbial community that suggest cross-species infectivity of specific viral strains. The improved contiguity of the long-read assembly also identified 94 antimicrobial resistance genes, compared to only seven alleles identified in the short-read assembly. Overall, we demonstrate a combination of experimental and computational methods that work synergistically to improve characterization of biological features in a highly complex rumen microbial community.

Spore-forming pathogens have a unique capacity to thrive in diverse environments, and with temporal persistence afforded through their ability to sporulate. These behaviors require a One Health approach to identify critical reservoirs and outbreak-associated transmission chains, given their capacity to freely move across soils, waterways, foodstuffs, and as commensals or infecting pathogens in human and veterinary populations. Among anaerobic spore-formers, genomic resources for pathogens including C. botulinum, C. difficile, and C. perfringens enable our capacity to identify common and unique factors that support their persistence in diverse reservoirs and capacity to cause disease. Publicly available genomic resources for spore-forming pathogens at NCBI's Pathogen Detection program aid outbreak investigations and longitudinal monitoring in national and international programs in public health and food safety, as well as for local healthcare systems. These tools also enable research to derive new knowledge regarding disease pathogenesis, and to inform strategies in disease prevention and treatment. As global community resources, the continued sharing of strain genomic data and phenotypes further enhances international resources and means to develop impactful applications. We present examples showing use of these resources in surveillance, including capacity to assess linkages among clinical, environmental, and foodborne reservoirs and to further research investigations into factors promoting their persistence and virulence in different settings.

Clostridioides difficile is the leading cause of healthcare associated infections. The Pathogenicity Locus (PaLoc) toxins TcdA and TcdB promote host disease. These toxins lack canonical N-terminal signal sequences for translocation across the bacterial membrane, suggesting alternate mechanisms of release, which have included targeted secretion and passive release from cell lysis. While the holin TcdE has been implicated in TcdA and TcdB release, its role in vivo remains unknown. Here, we show profound reductions in toxin secretion in ΔtcdE mutants in the highly virulent strains UK1 (epidemic ribotype 027, Clade 3) and VPI10463 (ribotype 087, Clade 1). Notably, tcdE deletion in either strain rescued highly susceptible gnotobiotic mice from lethal infection by reducing acute extracellular toxin to undetectable levels, limiting mucosal damage, and enabling long-term survival, in spite of continued toxin gene expression in ΔtcdE mutants. Our findings confirm TcdE's critical functions in vivo for toxin secretion and C. difficile virulence.

Abstract Clostridioides difficile (CD) is a sporulating and toxin-producing nosocomial pathogen that opportunistically infects the gut, particularly in patients with depleted microbiota after antibiotic exposure. Metabolically, CD rapidly generates energy and substrates for growth from Stickland fermentations of amino acids, with proline being a preferred reductive substrate. To investigate the in vivo effects of reductive proline metabolism on C . difficile’s virulence in an enriched gut nutrient environment, we evaluated wild-type and isogenic ΔprdB strains of ATCC43255 on pathogen behaviors and host outcomes in highly susceptible gnotobiotic mice. Mice infected with the ΔprdB mutant demonstrated extended survival via delayed colonization, growth and toxin production but ultimately succumbed to disease. In vivo transcriptomic analyses demonstrated how the absence of proline reductase activity more broadly disrupted the pathogen’s metabolism including failure to recruit oxidative Stickland pathways, ornithine transformations to alanine, and additional pathways generating growth-promoting substrates, contributing to delayed growth, sporulation, and toxin production. Our findings illustrate the central role for proline reductase metabolism to support early stages of C. difficile colonization and subsequent impact on the pathogen’s ability to rapidly expand and cause disease.