Abstract Protection against pathogens is a major function of the gut microbiota. Although bacterial natural products have emerged as crucial components of host-microbiota interactions, their exact role in microbiota-mediated protection is largely unexplored. We addressed this knowledge gap with the nematode Caenorhabditis elegans and its microbiota isolate Pseudomonas fluorescens MYb115 that is known to protect against Bacillus thuringiensis (Bt) infection. We find that MYb115-mediated protection depends on sphingolipids that are derived from an iterative type I polyketide synthase (PKS), thereby describing a noncanonical pathway of bacterial sphingolipid production. We provide evidence that MYb115-derived sphingolipids affect C. elegans tolerance to Bt infection by altering host sphingolipid metabolism. This work establishes sphingolipids as structural outputs of bacterial PKS and highlights the role of microbiota-derived sphingolipids in host protection against pathogens.

Abstract The C. elegans natural microbiota isolates Pseudomonas lurida MYb11 and Pseudomonas fluorescens MYb115 protect the host against pathogens through distinct mechanisms. While P. lurida produces an antimicrobial compound and directly inhibits pathogen growth, P. fluorescens MYb115 protects the host without affecting pathogen growth. It is unknown how these two protective microbes affect host biological processes. We used a proteomics approach to elucidate the C. elegans response to MYb11 and MYb115. We found that both Pseudomonas isolates increase vitellogenin protein production in young adults, which confirms previous findings on the effect of microbiota on C. elegans reproductive timing. Moreover, the C. elegans responses to MYb11 and MYb115 exhibit common signatures with the response to other vitamin B 12 -producing bacteria, emphasizing the importance of vitamin B 12 in C. elegans-microbe metabolic interactions. We further analyzed signatures in the C. elegans response specific to MYb11 or MYb115. We provide evidence for distinct modification in lipid metabolism by both mutualistic microbes. We could identify activation of host pathogen defense responses as MYb11-specific proteome signature and demonstrate that the intermediate filament protein IFB-2 is required for MYb115-mediated protection. These results indicate that MYb11 not only produces an antimicrobial compound, but also activates host antimicrobial defenses, which together might increase resistance to infection. In contrast, MYb115 affects host processes such as lipid metabolism and cytoskeleton dynamics, which might increase host tolerance to infection. Overall, this study provides new insights into the potential mechanisms underlying C. elegans microbiota-mediated protection from pathogen infection.

ABSTRACT The composition of the gut microbiome is determined by a complex interplay of diet, host genetics, microbe-microbe competition, abiotic factors, and stochasticity. Previous studies have demonstrated the importance of host genetics in community assembly of the Caenorhabditis elegans gut microbiome and identified a pivotal role for DBL-1/BMP immune signaling in determining the abundance of gut Enterobacteriaceae , in particular of the genus Enterobacter . However, the effects of DBL-1 signaling on gut bacteria were found to depend on its activation in extra-intestinal tissues, suggesting that yet unidentified intestinal factors must mediate these effects. In the present study, we used RNA-seq gene expression analysis of wildtype, dbl-1 and sma-3 mutants, and dbl-1 over-expressors to identify genes regulated by DBL-1/BMP signaling that take part in interactions with gut commensals. Following confirmation of several putative targets by qRT-PCR, we carried out colonization experiments with respective mutants raised on monocultures as well as on defined bacterial communities. These experiments identified five intestinal DBL-1/BMP targets, predicted to be secreted, that showed increased Enterobacteriaceae abundance compared to wildtype. The extent of increases was for the most part lower than those seen in DBL-1 pathway mutants, suggesting that identified mediators are components of a DBL-1-regulated antibacterial cocktail, which may additively contribute to shaping of gut microbiome composition. IMPORTANCE Compared to the roles of diet, environmental availability, or lifestyle in determining gut microbiome composition, that of genetic factors is the least understood and often underestimated. The identification of intestinal mediators acting downstream of DBL-1/BMP signaling to control enteric bacteria, describes a cocktail of effectors with distinct molecular functions, thus offering a glimpse into the genetic logic of microbiome control as well as a list of targets for future exploration of this logic.

The biology of all organisms is influenced by the associated community of microorganisms. In spite of its importance, it is usually not well understood how exactly this microbiome affects host functions and what are the underlying molecular processes. To rectify this knowledge gap, we took advantage of the nematode C. elegans as a tractable, experimental model system and assessed the inducible transcriptome response after colonization with members of its native microbiome. For this study, we focused on two isolates of the genus Ochrobactrum. These bacteria are known to be abundant in the nematode's microbiome and are capable of colonizing and persisting in the nematode gut, even under stressful conditions. The transcriptome response was assessed across development and three time points of adult life, using general and C. elegans-specific enrichment analyses to identify affected functions. Our assessment revealed an influence of the microbiome members on the nematode's dietary response, development, fertility, immunity, and energy metabolism. This response is mainly regulated by a GATA transcription factor, most likely ELT-2, as indicated by the enrichment of (i) the GATA motif in the promoter regions of inducible genes and (ii) of ELT-2 targets among the differentially expressed genes. We compared our transcriptome results with a corresponding previously characterized proteome data set, highlighting a significant overlap in the differentially expressed genes and the affected functions. Our analysis further identified a core set of 86 genes that consistently responded to the microbiome members across development and adult life, including several C-type lectin-like genes and genes known to be involved in energy metabolism or fertility. We additionally assessed the consequences of induced gene expression with the help of metabolic network model analysis, using a previously established metabolic network for C. elegans. This analysis complemented the enrichment analyses by revealing an influence of the Ochrobactrum isolates on C. elegans energy metabolism and furthermore metabolism of specific amino acids, fatty acids, and also folate biosynthesis. Our findings highlight the multifaceted impact of naturally colonizing microbiome isolates on C. elegans life history and thereby provide a framework for further analysis of microbiome-mediated host functions.

To overcome bacterial invasion and infection, animals have evolved various antimicrobial effectors such as antimicrobial peptides and lysozymes. Although C. elegans is exposed to a variety of microbes due to its bacterivorous lifestyle, previous work on the components of its immune system mainly based on the description of transcriptional changes during bacterial challenges. Very few effector components of its immune system have been characterized so far. To investigate the role of lysozymes in terms of antibacterial defense and digestion, we studied a member of the widely neglected family of C. elegans invertebrate lysozymes (ILYS). We focused on the so far virtually undescribed ILYS-5, which we purified from protein extracts of C. elegans tracing its peptidoglycan-degrading activity and localized the tissue expression of the gene in vivo using a translational reporter construct. We recombinantly synthesized ILYS-5 and determined the physicochemical activity optimum and the antibacterial spectrum of a lysozyme from C. elegans for the first time. With an activity optimum at low ionic strength (≤100 mM) and at acidic pH (≤ pH 4.0), ILYS-5 is likely to be involved in killing and digestion of bacteria within acidified phagolysosomes and acidic regions of the gut, presumably secreted by lysosome-like vesicles. This notion is supported by potent activity against various live Gram-positive and Gram-negative bacteria. Notably, members of the natural associated microbiome of C. elegans are substantially less susceptible to ILYS-5. Ablation of the ilys-5 gene resulted in reduction of lifespan and fertility when cultured on the standard food bacterium Escherichia coli OP50, whereas exposure of the ilys-5 knock-out mutant to the host-associated bacterium Pseudomonas lurida MYb11 did not have a clear effect. These findings indicate a role of ILYS-5 in immunity and nutrition and a co-evolved adaptation of host and bacteria to the mutualistic nature of their interaction.

The microbiome is generally assumed to have a substantial influence on the biology of multicellular organisms. The exact functional contributions of the microbes are often unclear and cannot be inferred easily from 16S rRNA genotyping, which is commonly used for taxonomic characterization of the bacterial associates. In order to bridge this knowledge gap, we here analyzed the metabolic competences of the native microbiome of the model nematode Caenorhabditis elegans. We integrated whole genome sequences of 77 bacterial microbiome members with metabolic modelling and experimental characterization of bacterial physiology. We found that, as a community, the microbiome can synthesize all essential nutrients for C. elegans. Both metabolic models and experimental analyses further revealed that nutrient context can influence how bacteria interact within the microbiome. We identified key bacterial traits that are likely to influence the microbe's ability to colonize C. elegans (e.g., pyruvate fermentation to acetoin) and the resulting effects on nematode fitness (e.g., hydroxyproline degradation). Considering that the microbiome is usually neglected in the comprehensive research on this nematode, the resource presented here will help our understanding of C. elegans biology in a more natural context. Our integrative approach moreover provides a novel, general framework to dissect microbiome-mediated functions.

Abstract The gut microbiome plays important roles in host function and health. Core microbiomes have been described for different species, and imbalances in their composition, known as dysbiosis, are associated with pathology. Changes in the gut microbiome and dysbiosis are common in aging, possibly due to multi-tissue deterioration, which includes metabolic shifts, dysregulated immunity, and disrupted epithelial barriers. However, the characteristics of these changes, as reported in different studies, are varied and sometimes conflicting. Using clonal populations of C. elegans to highlight trends shared among individuals, and employing NextGen sequencing, CFU counts and fluorescent imaging to characterize age-dependent changes in worms raised in different microbial environments, we identified an Enterobacteriaceae bloom as a common denominator in aging animals. Experiments using Enterobacter hormachei , a representative commensal, suggested that the Enterobacteriaceae bloom was facilitated by a decline in Sma/BMP immune signaling in aging animals and demonstrated its detrimental potential for increasing susceptibility to infection. However, such detrimental effects were context-dependent, mitigated by competition with commensal communities, highlighting the latter as determinants of healthy versus unhealthy aging, depending on their ability to restrain opportunistic pathobionts.