ABSTRACT The life-long relationship between microorganisms and hosts has a profound impact on the overall health and physiology of the holobiont. Changes in microbiome composition throughout the lifespan of a host remain, however, largely understudied. In this study, the fecal microbiome of conventionally raised C57BL/6J mice was analyzed throughout almost the entire expected lifespan, from ‘maturing’ (9 weeks) until ‘very old’ age (112 weeks). Analysis of alpha and beta diversity suggests that gradual microbiome changes occur throughout the entire murine life but appear to be more pronounced in ‘maturing’ to ‘middle-aged’ phases. Phylum-level analysis indicates a shift in the Firmicutes/Bacteroidetes ratio in favor of the Firmicutes in the second year of adulthood. Varying successional patterns throughout life were observed for many Firmicutes OTUs, while relative abundances of Bacteroidetes OTUs varied primarily in the early life phases. Microbiome configurations at given time points were used as training sets in a Bayesian model, which in turn effectively enabled the prediction of host age. The fecal microbiome composition may therefore serve as an accurate biomarker for aging. This study further suggests that age-associated compositional differences may have considerable implications for the interpretation and comparability of animal model-based microbiome studies. Importance The life-long relationship between microorganisms and hosts has a profound impact on the overall physiology of the holobiont. Understanding the extent of gut microbiome compositional changes over the expected mouse lifespan may allow to better understand the interplay of microbiome and the host at the different life stages. In this study, we performed a two-year longitudinal study of murine fecal microbiome. Using fine-scale microbiome profiling we were able to predict the host age from the fecal microbiome composition. Moreover, we observed that the rate of compositional change appears to slow with age. The description of the compositional changes in commonly used C57BL/6J mice can be used to optimize selection of age-associated mouse models and highlights the use of microbiome-profiling as biomarker for aging.

Abstract Despite extensive efforts to address it, the vastness of uncharacterized ‘dark matter’ microbial genetic diversity can impact short-read sequencing based metagenomic studies. Population-specific biases in genomic reference databases can further compound this problem. Leveraging advances in long-read and Hi-C technologies, we deeply characterized 109 gut microbiomes from three ethnicities in Singapore to comprehensively reconstruct 4,497 medium and high-quality metagenome assembled genomes, 1,708 of which were missing in short-read only analysis and with >28× N50 improvement. Species-level clustering identified 70 (>10% of total) novel gut species out of 685, improved reference genomes for 363 species (53% of total), and discovered 3,413 strains that are unique to these populations. Among the top 10 most abundant gut bacteria in our study, one of the species and >80% of all strains were not represented in existing databases. Annotation of biosynthetic gene clusters (BGCs) uncovered more than 27,000 BGCs with a large fraction (36-88%) not represented in current databases, and with several unique clusters predicted to produce bacteriocins that could significantly alter microbiome community structure. These results reveal the significant uncharacterized gut microbial diversity in Southeast Asian populations and highlight the utility of hybrid metagenomic references for bioprospecting and disease-focused studies.

ABSTRACT Environmental factors, probiotics and feed additives affect microbiota diversity in fish. Water temperature disrupts the composition and diversity of microbiota, with temperature changes triggering stress and immune responses in fish. In Singapore, water heat treatment is used to control and prevent disease outbreaks in farmed fish. Although gut microbiota responses to heat stress have been reported, little is known about the effects of heat treatment on fish immune responses and fish skin microbiota dynamics. Over a 3-mo interval, we investigated microbiota dynamics and fish immune responses associated with a heat treatment practice in a commercial fish farm with a recirculating aquaculture system (RAS). Tank water temperature was raised to 37-39 °C for 1 hour, every 2 weeks. Tank water and fish microbial communities were analysed by 16S amplicon sequencing, and host molecular expressions were determined by qPCR. We inferred that heat treatment increased stress and immune responses that protected fish from opportunistic infections. However, overreaction to temperature stress can cause dysbiosis of the skin microbiota and death. We also suggested the value of the skin microbiota Pseudomonadota: Bacteroidota (P:B) ratio as a biomarker for aquaculture fish health. IMPORTANCE Aquaculture is an emerging economic activity to supply high-quality animal protein and reduce reliance on wild-caught fish products. Recently, there has been emphasis on intensive aquaculture, using a Recirculating Aquaculture System (RAS). In RAS, management of pathogens/parasites prevalence is a major challenge. Developing practical solutions for producing healthy juveniles in nursery systems will make profound contributions to sustainable aquaculture. In this study, we used an unconventional strategy, exposing juveniles to the pathobiome in the environment, followed by non-lethal heat shock treatments to enhance immunity. Short-term stress induced heat shock proteins that protected fish from opportunistic infections. We concluded that manipulating environmental-microbial-host interactions, together with enhanced functional capacity of fish immune response, has potential for disease control in aquaculture.

Abstract Dietary changes are known to alter the composition of the gut microbiome. However, it is less understood how repeatable and reversible these changes are and how diet-switches affect the microbiota in the various segments of the gastrointestinal tract. Here, a treatment group of conventionally raised laboratory mice is subjected to two periods of western diet (WD) interrupted by a period of standard diet (SD) of the same duration. Beta-diversity analyses show that diet-induced microbiota changes are largely reversible ( q = 0.1501; PERMANOVA, weighted-UniFrac comparison of the treatment-SD group to the control-SD group) and repeatable ( q = 0.032; PERMANOVA, weighted-UniFrac comparison of both WD treatments). Furthermore, we report that diet switches alter the gut microbiota composition along the length of the intestinal tract in a segment-specific manner, leading to gut segment-specific Firmicutes/Bacteroidota ratios. We identified prevalent and distinct Amplicon Sequencing Variants (ASVs), particularly in genera of the recently described Muribaculaceae , along the gut as well as ASVs that are differentially abundant between segments of treatment and control groups. Overall, this study provides insights into the reversibility of diet-induced microbiota changes and highlights the importance to expand sampling efforts beyond the collections of fecal samples to characterize diet-dependent and segment-specific microbiome differences.