A low-error 16S ribosomal RNA amplicon sequencing method, in combination with whole-genome sequencing of >500 cultured isolates, was used to characterize bacterial strain composition in the fecal microbiota of 37 U.S. adults sampled for up to 5 years. Microbiota stability followed a power-law function, which when extrapolated suggests that most strains in an individual are residents for decades. Shared strains were recovered from family members but not from unrelated individuals. Sampling of individuals who consumed a monotonous liquid diet for up to 32 weeks indicated that changes in strain composition were better predicted by changes in weight than by differences in sampling interval. This combination of stability and responsiveness to physiologic change confirms the potential of the gut microbiota as a diagnostic tool and therapeutic target.

The adult human distal gut microbial community is typically dominated by 2 bacterial phyla (divisions), the Firmicutes and the Bacteroidetes. Little is known about the factors that govern the interactions between their members. Here, we examine the niches of representatives of both phyla in vivo. Finished genome sequences were generated from Eubacterium rectale and E. eligens , which belong to Clostridium Cluster XIVa, one of the most common gut Firmicute clades. Comparison of these and 25 other gut Firmicutes and Bacteroidetes indicated that the Firmicutes possess smaller genomes and a disproportionately smaller number of glycan-degrading enzymes. Germ-free mice were then colonized with E. rectale and/or a prominent human gut Bacteroidetes, Bacteroides thetaiotaomicron , followed by whole-genome transcriptional profiling, high-resolution proteomic analysis, and biochemical assays of microbial–microbial and microbial–host interactions. B. thetaiotaomicron adapts to E. rectale by up-regulating expression of a variety of polysaccharide utilization loci encoding numerous glycoside hydrolases, and by signaling the host to produce mucosal glycans that it, but not E. rectale , can access. E. rectale adapts to B. thetaiotaomicron by decreasing production of its glycan-degrading enzymes, increasing expression of selected amino acid and sugar transporters, and facilitating glycolysis by reducing levels of NADH, in part via generation of butyrate from acetate, which in turn is used by the gut epithelium. This simplified model of the human gut microbiota illustrates niche specialization and functional redundancy within members of its major bacterial phyla, and the importance of host glycans as a nutrient foundation that ensures ecosystem stability.

Clostridium kluyveri is unique among the clostridia; it grows anaerobically on ethanol and acetate as sole energy sources. Fermentation products are butyrate, caproate, and H 2 . We report here the genome sequence of C. kluyveri , which revealed new insights into the metabolic capabilities of this well studied organism. A membrane-bound energy-converting NADH:ferredoxin oxidoreductase (RnfCDGEAB) and a cytoplasmic butyryl-CoA dehydrogenase complex (Bcd/EtfAB) coupling the reduction of crotonyl-CoA to butyryl-CoA with the reduction of ferredoxin represent a new energy-conserving module in anaerobes. The genes for NAD-dependent ethanol dehydrogenase and NAD(P)-dependent acetaldehyde dehydrogenase are located next to genes for microcompartment proteins, suggesting that the two enzymes, which are isolated together in a macromolecular complex, form a carboxysome-like structure. Unique for a strict anaerobe, C. kluyveri harbors three sets of genes predicted to encode for polyketide/nonribosomal peptide synthetase hybrides and one set for a nonribosomal peptide synthetase. The latter is predicted to catalyze the synthesis of a new siderophore, which is formed under iron-deficient growth conditions.

ABSTRACT Cell extracts of butyrate-forming clostridia have been shown to catalyze acetyl-coenzyme A (acetyl-CoA)- and ferredoxin-dependent formation of H 2 from NADH. It has been proposed that these bacteria contain an NADH:ferredoxin oxidoreductase which is allosterically regulated by acetyl-CoA. We report here that ferredoxin reduction with NADH in cell extracts from Clostridium kluyveri is catalyzed by the butyryl-CoA dehydrogenase/Etf complex and that the acetyl-CoA dependence previously observed is due to the fact that the cell extracts catalyze the reduction of acetyl-CoA with NADH via crotonyl-CoA to butyryl-CoA. The cytoplasmic butyryl-CoA dehydrogenase complex was purified and is shown to couple the endergonic reduction of ferredoxin (E 0 ′ = −410 mV) with NADH (E 0 ′ = −320 mV) to the exergonic reduction of crotonyl-CoA to butyryl-CoA (E 0 ′ = −10 mV) with NADH. The stoichiometry of the fully coupled reaction is extrapolated to be as follows: 2 NADH + 1 oxidized ferredoxin + 1 crotonyl-CoA = 2 NAD + + 1 ferredoxin reduced by two electrons + 1 butyryl-CoA. The implications of this finding for the energy metabolism of butyrate-forming anaerobes are discussed in the accompanying paper.

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 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.

Outbreaks of diseases in farmed fish remain a recurring problem despite the development of vaccines and improved hygiene standards on aquaculture farms. One commonly observed bacterial disease in tropical aquaculture of the South-East Asian region is tenacibaculosis, which is attributed to members of the Bacteroidetes genus Tenacibaculum, most notably T. maritimum. The impact of tenacibaculosis on fish microbiota remains poorly understood. In this study, we analysed the microbiota of different tissue types of commercially reared Asian seabass (Lates calcarifer) that showed symptoms of tenacibaculosis and compared the microbial communities to those of healthy and experimentally infected fish that were exposed to diseased farm fish. The microbiota of diseased farm fish was dominated by Proteobacteria (relative abundance±standard deviation, 74.5%±22.8%) and Bacteroidetes (18.07%±21.7%), the latter mainly comprised by a high abundance of Tenacibaculum species (17.6%±20.7%). In healthy seabass Proteobacteria had also highest relative abundance (48.04%±0.02%), but Firmicutes (34.2%±0.02%) and Fusobacteria (12.0%±0.03%) were the next two major constituents. Experimentally infected fish developed lesions characteristic for tenacibaculosis, but the microbiota was primarily dominated by Proteobacteria (90.4%±0.2%) and Firmicutes (6.2%±0.1%). The relative abundance of Tenacibaculum species in experimentally infected fish was significantly lower than in the commercially reared diseased fish and revealed a higher prevalence of different Tenacibaculum species. One strain was isolated and is described here as sp. nov. Tenacibaculum singaporense TLL-A1T (=DSM 106434T, KCTC 62393T). The genome of T. singaporense was sequenced and compared to those of T. maritimum DSM 17995T and the newly sequenced T. mesophilum DSM 13764T.

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 The recently discovered tigecycline-inactivating enzyme Tet(X4) can confer high-level tigecycline resistance on its hosts, which makes it a public health concern. This study focused on detection, analysis, and characterization of Tet(X4)-positive Enterobacteriaceae from the gut microbiota of a healthy cohort of individuals in Singapore using cultivation-dependent and cultivation-independent approaches. Twelve Tet(X4)-positive Enterobacteriaceae strains that were previously obtained from the cohort were fully genome-sequenced and comparatively analysed. A metagenomic sequencing (MS) dataset of the same samples was mined for contigs that harboured the tet (X4) resistance gene. The sequences of tet (X4)-containing contigs and plasmids sequences were compared. The presence of the resistance genes floR and catD (also annotated as estT ) was detected in the same cassette in 10 and 12 out of the 12 tet (X4)-carrying plasmids, respectively. MS detected tet (X4)-containing contigs in two out of 109 subjects, while cultivation-dependent analysis previously reported a prevalence of 10.1%. Contig sequences are relatively short (∼14-33 kb) but show high similarity to the respective plasmid sequences of the isolates. The frequent co-occurrence of florR and catD with tet (X4) corroborates the hypothesis that the transmission of tet (X4) may have originated from the veterinary sector. Our findings show that MS can complement efforts in the surveillance of antibiotic resistance genes for clinical samples, while it has a lower sensitivity than a cultivation-based method when the target organism have a low abundance. Further optimisation is required if MS is to be utilised in antibiotic resistance surveillance.