Andre Franke and colleagues perform a genome-wide association study for the gut microbiome, examining the influence of host genetics on overall microbial variation and individual taxa. They find significant associations at the VDR (vitamin D receptor) locus and observe correlations between microbiota and metabolites of VDR, including bile acids. Human gut microbiota is an important determinant for health and disease, and recent studies emphasize the numerous factors shaping its diversity. Here we performed a genome-wide association study (GWAS) of the gut microbiota using two cohorts from northern Germany totaling 1,812 individuals. Comprehensively controlling for diet and non-genetic parameters, we identify genome-wide significant associations for overall microbial variation and individual taxa at multiple genetic loci, including the VDR gene (encoding vitamin D receptor). We observe significant shifts in the microbiota of Vdr−/− mice relative to control mice and correlations between the microbiota and serum measurements of selected bile and fatty acids in humans, including known ligands and downstream metabolites of VDR. Genome-wide significant (P < 5 × 10−8) associations at multiple additional loci identify other important points of host–microbe intersection, notably several disease susceptibility genes and sterol metabolism pathway components. Non-genetic and genetic factors each account for approximately 10% of the variation in gut microbiota, whereby individual effects are relatively small.

The FUT2 ( Secretor ) gene is responsible for the presence of ABO histo-blood group antigens on the gastrointestinal mucosa and in bodily secretions. Individuals lacking a functional copy of FUT2 are known as “nonsecretors” and display an array of differences in susceptibility to infection and disease, including Crohn disease. To determine whether variation in resident microbial communities with respect to FUT2 genotype is a potential factor contributing to susceptibility, we performed 454-based community profiling of the intestinal microbiota in a panel of healthy subjects and Crohn disease patients and determined their genotype for the primary nonsecretor allele in Caucasian populations, W143X (G428A). Consistent with previous studies, we observe significant deviations in the microbial communities of individuals with Crohn disease. Furthermore, the FUT2 genotype explains substantial differences in community composition, diversity, and structure, and we identified several bacterial species displaying disease-by-genotype associations. These findings indicate that alterations in resident microbial communities may in part explain the variety of host susceptibilities surrounding nonsecretor status and that FUT2 is an important genetic factor influencing host–microbial diversity.

Significance Animals form functional unities with communities of microbes. Often, these bacterial communities are highly specific to host species and resemble host phylogeny. But which factors determine community membership? Which host-factors are capable of selecting suitable bacteria by inhibiting colonization by potential foreign colonizers? In this study, we show that animals express a species-specific repertoire of antimicrobial peptides, which supports and maintains a species-specific bacterial community. Loss-of-function experiments showed that antimicrobial peptide composition is a predictor for bacterial colonization.

The fruit fly Drosophila is a classic model organism to study adaptation as well as the relationship between genetic variation and phenotypes. Although associated bacterial communities might be important for many aspects of Drosophila biology, knowledge about their diversity, composition, and factors shaping them is limited. We used 454-based sequencing of a variable region of the bacterial 16S ribosomal RNA gene to characterize the bacterial communities associated with wild and laboratory Drosophila isolates. In order to specifically investigate effects of food source and host species on bacterial communities, we analyzed samples from wild Drosophila melanogaster and D. simulans collected from a variety of natural substrates, as well as from adults and larvae of nine laboratory reared Drosophila species. We find no evidence for host species effects in lab reared flies, instead lab of origin and stochastic effects, which could influence studies of Drosophila phenotypes, are pronounced. In contrast, the natural Drosophila associated microbiota appears to be predominantly shaped by food substrate with an additional but smaller effect of host species identity. We identify a core member of this natural microbiota that belongs to the genus Gluconobacter and is common to all wild caught flies in this study, but absent from the laboratory. This makes it a strong candidate for being part of what could be a natural D. melanogaster and D. simulans core microbiome. Furthermore we were able to identify candidate pathogens in natural fly isolates.

Climatic conditions changing over time and space shape the evolution of organisms at multiple levels, including temperate lizards in the family Lacertidae. Here we reconstruct a dated phylogenetic tree of 262 lacertid species based on a supermatrix relying on novel phylogenomic datasets and fossil calibrations. Diversification of lacertids was accompanied by an increasing disparity among occupied bioclimatic niches, especially in the last 10 Ma, during a period of progressive global cooling. Temperate species also underwent a genome-wide slowdown in molecular substitution rates compared to tropical and desert-adapted lacertids. Evaporative water loss and preferred temperature are correlated with bioclimatic parameters, indicating physiological adaptations to climate. Tropical, but also some populations of cool-adapted species experience maximum temperatures close to their preferred temperatures. We hypothesize these species-specific physiological preferences may constitute a handicap to prevail under rapid global warming, and contribute to explaining local lizard extinctions in cool and humid climates.

Abstract The de novo emergence of new transcripts has been well documented through genomic analyses. However, a functional analysis, especially of very young protein-coding genes, is still largely lacking. Here we focus on three loci that have evolved from previously intergenic sequences in the house mouse (Mus musculus) and are not present in its closest relatives. We have obtained knockouts and analyzed their phenotypes, including a deep transcriptomic analysis, based on a dedicated power analysis. We show that the transcriptional networks are significantly disturbed in the knockouts and that all three genes have effects on phenotypes that are related to their expression patterns. This includes behavioral effects, skeletal differences and the regulation of the reproduction cycle in females. Substitution analysis suggests that all three genes have directly obtained an activity, without new adaptive substitutions. Our findings support the hypothesis that de novo genes can quickly adopt functions without extensive adaptation. Impact statement New protein-coding genes emerging out of non-coding sequences can become directly functional without signatures of adaptive protein changes

Abstract Mygalomorph spiders of the family Theraphosidae, known to the broader public as tarantulas, are among the most recognizable arachnids on earth due to their large size and widespread distribution. Their use of urticating setae is a notable adaptation that has evolved exclusively in certain New World theraphosids. Thus far, the evolutionary history of Theraphosidae remains poorly understood; theraphosid systematics still largely relies on morphological datasets, which suffer from high degrees of homoplasy, and traditional targeted sequencing of preselected genes failed to provide strong support for supra-generic clades (i.e. particularly those broader than subfamilies). In this study, we provide the first robust phylogenetic hypothesis of theraphosid evolution inferred from transcriptome data. A core ortholog approach was used to generate a phylogeny from 2460 orthologous genes across 25 theraphosid genera, representing all of the major theraphosid subfamilies, except Selenogyrinae. For the first time our phylogeny recovers a monophyletic group that comprises the vast majority of New World theraphosid subfamilies including Aviculariinae and Theraphosinae. Concurrently, we provide additional evidence for the integrity of questionable subfamilies, such as Poecilotheriinae and Psalmopoeinae, and support the non-monophyly of Ischnocolinae. The deeper relationships between almost all subfamilies are confidently inferred for the first time. We also used our phylogeny in tandem with published morphological data to perform ancestral state analyses on urticating setae. This revealed that the evolution of this important defensive trait might be explained by three equally parsimonious scenarios.

Abstract Molecular gut content analysis is a popular tool to study food web interactions and was recently also suggested as an alternative source for DNA based biomonitoring. However, the overabundant consumer’s DNA often outcompetes that of its diet during PCR. Blocking approaches are an efficient means to reduce consumer amplification while retaining broad specificity for dietary taxa. We here designed an assay to monitor the eukaryotic diet of mussels and test their utility as biological eDNA filters to monitor planktonic communities. We designed several rDNA primer sets with a broad taxonomic suitability for eukaryotes, which suppress the amplification of mussels. The primers were tested using mussel DNA extracts and the results were compared to eDNA water samples collected next to the mussel colonies. Taxonomic recovery, as well as patterns of alpha and beta diversity, were compared between mussels and water samples. In addition, we analyzed time series samples of mussel samples from different German rivers. Our primer sets efficiently block the amplification of various mussel genera. The recovered DNA reflects a broad dietary preference across the eukaryotic tree of life and considerable taxonomic overlap with filtered water samples. We also recover various taxa of possible commensals and parasites, associated with the mussels. Our protocol will enable large scale dietary analysis in mussels, facilitate aquatic food web analysis, elucidate the ecological impact of invasive bivalves and the rapid survey of mussel aquacultures for pathogens. Moreover, we show that mussels could serve as an interesting complementary DNA source for biomonitoring.

Aging is the predominant cause of morbidity and mortality in industrialized countries. The specific molecular mechanisms that drive aging are poorly understood, especially the contribution of the microbiota in these processes. Here, we combined multi-omics with metabolic modeling in mice to comprehensively characterize host-microbiome interactions and how they are affected by aging. Our findings reveal a complex dependency of host metabolism on microbial functions, including previously known as well as novel interactions. We observed a pronounced reduction in metabolic activity within the aging microbiome, which we attribute to reduced beneficial interactions in the microbial community and a reduction in its metabolic output. These microbial changes coincided with a corresponding downregulation of key host pathways predicted by our model to be dependent on the microbiome that are crucial for maintaining intestinal barrier function, cellular replication, and homeostasis. Our results elucidate microbiome-host interactions that potentially influence host aging processes, focusing on microbial nucleotide metabolism as a pivotal factor in aging dynamics. These pathways could serve as future targets for the development of microbiome-based therapies against aging.