Predicting elemental cycles and maintaining water quality under increasing anthropogenic influence requires understanding the spatial drivers of river microbiomes. However, the unifying microbial processes governing river biogeochemistry are hindered by a lack of genome-resolved functional insights and sampling across multiple rivers. Here we employed a community science effort to accelerate the sampling, sequencing, and genome-resolved analyses of river microbiomes to create the Genome Resolved Open Watersheds database (GROWdb). This resource profiled the identity, distribution, function, and expression of thousands of microbial genomes across rivers covering 90% of United States watersheds. Specifically, GROWdb encompasses 1,469 microbial species from 27 phyla, including novel lineages from 10 families and 128 genera, and defines the core river microbiome for the first time at genome level. GROWdb analyses coupled to extensive geospatial information revealed local and regional drivers of microbial community structuring, while also presenting a myriad of foundational hypotheses about ecosystem function. Building upon the previously conceived River Continuum Concept 1 , we layer on microbial functional trait expression, which suggests the structure and function of river microbiomes is predictable. We make GROWdb available through various collaborative cyberinfrastructures 2, 3 so that it can be widely accessed across disciplines for watershed predictive modeling and microbiome-based management practices.

Abstract Microbes are responsible for cycling carbon (C) through soils, and the predictions of how soil C stocks change with warming are highly sensitive to the assumptions made about the mechanisms controlling the microbial physiology response to climate warming. Two mechanisms, microbial thermal-acclimation and changes in the quantity and quality of substrates available for microbial metabolism have been suggested to explain the long-term warming impact on microbial physiology. Yet studies disentangling these two mechanisms are lacking. To resolve the drivers of changes in microbial physiology in response to long-term warming, we sampled soils from 13- and 28-year old soil warming experiments in different seasons. We performed short-term laboratory incubations across a range of temperatures to measure the relationship between temperature sensitivity of physiology (growth, respiration, carbon use efficiency and extracellular enzyme activity) and the chemical composition of soil organic matter. We observed apparent thermal acclimation in microbial processes important for C cycling, but only when warming had exacerbated the seasonally-induced, already small soil organic matter pools. Irrespective of warming, greater quantity and quality of soil carbon enhanced the extracellular enzymatic pool and its temperature sensitivity. We suggest that fresh litter input into the system seasonally cancels apparent thermal acclimation of C-cycling processes. Our findings reveal that long-term warming has indirectly affected microbial physiology via reduced C availability in this system, implying that earth system models including these negative feedbacks may be best suited to describe long-term warming impact in soils.

Abstract Background Endolithic niches offer an ultimate refuge, supplying buffered conditions for microorganisms that dwell inside rock airspaces. Yet, survival and growth strategies of Antarctic endolithic microbes residing in Earths’ driest and coldest desert remains virtually unknown. Results From 109 endolithic microbiomes, 4,539 metagenome-assembled genomes were generated, 49.3% of which were novel candidate bacterial species. We present evidence that trace gas oxidation and atmospheric chemosynthesis may be the prevalent strategies supporting metabolic activity and persistence of these ecosystems at the fringe of life and the limits of habitability. Conclusions These results represent the foundation to untangle adaptability at the edge of sustainability on Earth and on other dry Earth-like planetary bodies such as Mars.

Abstract Different high temperatures adversely affect crop and algal yields with various responses in photosynthetic cells. The list of genes required for thermotolerance remains elusive. Additionally, it is unclear how carbon source availability affects heat responses in plants and algae. We utilized the insertional, indexed, genome-saturating mutant library of the unicellular, eukaryotic green alga Chlamydomonas reinhardtii to perform genome-wide, quantitative, pooled screens under moderate (35°C) or acute (40°C) high temperatures with or without organic carbon sources. We identified heat-sensitive mutants based on quantitative growth rates and identified putative heat tolerance genes (HTGs). By triangulating HTGs with heat-induced transcripts or proteins in wildtype cultures and MapMan functional annotations, we present a high/medium-confidence list of 933 Chlamydomonas genes with putative roles in heat tolerance. Triangulated HTGs include those with known thermotolerance roles and novel genes with little or no functional annotation. About 50% of these high-confidence HTGs in Chlamydomonas have orthologs in green lineage organisms, including crop species. Arabidopsis thaliana mutants deficient in the ortholog of a high-confidence Chlamydomonas HTG were also heat sensitive. This work expands our knowledge of heat responses in photosynthetic cells and provides engineering targets to improve thermotolerance in algae and crops.

Abstract Currents are unique drivers of oceanic phylogeography and so determine the distribution of marine coastal species, along with past glaciations and sea level changes. Here, we reconstruct the worldwide colonization history of eelgrass ( Zostera marina L.), the most widely distributed marine flowering plant or seagrass from its origin in the Northwest Pacific, based on nuclear and chloroplast genomes. We identified two divergent Pacific clades with evidence for admixture along the East Pacific coast. Multiple west to east (trans-Pacific) colonization events support the key role of the North Pacific Current. Time-calibrated nuclear and chloroplast phylogenies yielded concordant estimates of the arrival of Z. marina in the Atlantic through the Canadian Arctic, suggesting that eelgrass-based ecosystems, hotspots of biodiversity and carbon sequestration, have only been present since ∼208 Kya (thousand years ago). Mediterranean populations were founded ∼53 Kya while extant distributions along western and eastern Atlantic shores coincide with the end of the Last Glacial Maximum (∼20 Kya). The recent colonization and 5-to 7-fold lower genomic diversity of Atlantic compared to the Pacific populations raises concern and opportunity about how Atlantic eelgrass might respond to rapidly warming coastal oceans.

Abstract Rock-dwelling microorganisms are key players in ecosystem functioning of Antarctic ice free-areas. Yet, little is known about their diversity and ecology. Here, we performed metagenomic analyses on rocks from across Antarctica comprising >75,000 viral operational taxonomic units (vOTUS). We found largely undescribed, highly diverse and spatially structured virus communities potentially influencing bacterial adaptation and biogeochemistry. This catalog lays the foundation for expanding knowledge of the virosphere in extreme environments.

Antarctic cryptoendolithic communities are microbial ecosystems dwelling inside rocks of ice-free areas in Continental Antarctica. In Antarctica, these ecosystems were first described from the McMurdo Dry Valleys, accounted as the best analogous of the Martian environment on Earth and thought to be devoid of life until the discovery of these cryptic life-forms. Our results present the first shotgun metagenomes of Antarctic cryptoendolithic lichen-dominated communities from 18 differently sun-exposed rock samples collected during the XXXI Italian Antarctic Expedition (2015-16), along an altitudinal transect from 834 up to 3100 m a.s.l. Here, we provide the raw data obtained with Illumina Novaseq sequencer, followed by initial functional and taxonomic analysis. Our results extend understanding of the microbial diversity and biological processes in the Antarctic desert and represent an invaluable resource for the scientific community as a base-line for further studies of this kind to examine the mechanisms and pathways necessary for life to adapt and evolve in the extremes.

Abstract Recent human development of high-level sources of ionizing radiation (IR) prompts a corresponding need to understand the effects of IR on living systems. One approach has focused on the capacity of some organisms to survive astonishing levels of IR exposure. Using experimental evolution, we have generated populations of Escherichia coli with IR resistance comparable to the extremophile Deinococcus radiodurans . Every aspect of cell physiology is affected. Cellular isolates exhibit approximately 1,000 base pair changes plus major genomic and proteomic alterations. The IR resistance phenotype is stable without selection for at least 100 generations. Defined and probable contributions include alterations in cellular systems involved in DNA repair, amelioration of reactive oxygen species, Fe metabolism and repair of iron-sulfur centers, DNA packaging, and intermediary metabolism. A path to new mechanistic discoveries, exemplified by an exploration of rssB function, is evident. Most important, there is no single molecular mechanism underlying extreme IR resistance.