We describe a DNA sequencing technology in which a commonly available, inexpensive epifluorescence microscope is converted to rapid nonelectrophoretic DNA sequencing automation. We apply this technology to resequence an evolved strain of Escherichia coli at less than one error per million consensus bases. A cell-free, mate-paired library provided single DNA molecules that were amplified in parallel to 1-micrometer beads by emulsion polymerase chain reaction. Millions of beads were immobilized in a polyacrylamide gel and subjected to automated cycles of sequencing by ligation and four-color imaging. Cost per base was roughly one-ninth as much as that of conventional sequencing. Our protocols were implemented with off-the-shelf instrumentation and reagents.

The carboxyl-terminal domain, residues 146 to 231, of the human immunodeficiency virus–1 (HIV-1) capsid protein [CA(146–231)] is required for capsid dimerization and viral assembly. This domain contains a stretch of 20 residues, called the major homology region (MHR), which is conserved across retroviruses and is essential for viral assembly, maturation, and infectivity. The crystal structures of CA(146–231) and CA(151–231) reveal that the globular domain is composed of four helices and an extended amino-terminal strand. CA(146–231) dimerizes through parallel packing of helix 2 across a dyad. The MHR is distinct from the dimer interface and instead forms an intricate hydrogen-bonding network that interconnects strand 1 and helices 1 and 2. Alignment of the CA(146–231) dimer with the crystal structure of the capsid amino-terminal domain provides a model for the intact protein and extends models for assembly of the central conical core of HIV-1.

Lichens assemble in three parts Lichen growth forms cannot be recapitulated in the laboratory by culturing the plant and fungal partners together. Spribille et al. have discovered that the classical binary view of lichens is too simple. Instead, North American beard-like lichens are constituted of not two but three symbiotic partners: an ascomycetous fungus, a photosynthetic alga, and, unexpectedly, a basidiomycetous yeast. The yeast cells form the characteristic cortex of the lichen thallus and may be important for its shape. The yeasts are ubiquitous and essential partners for most lichens and not the result of lichens being colonized or parasitized by other organisms. Science , this issue p. 488

The smallest reported bacterial genome belongs to Tremblaya princeps, a symbiont of Planococcus citri mealybugs (PCIT). Tremblaya PCIT not only has a 139 kb genome, but possesses its own bacterial endosymbiont, Moranella endobia. Genome and transcriptome sequencing, including genome sequencing from a Tremblaya lineage lacking intracellular bacteria, reveals that the extreme genomic degeneracy of Tremblaya PCIT likely resulted from acquiring Moranella as an endosymbiont. In addition, at least 22 expressed horizontally transferred genes from multiple diverse bacteria to the mealybug genome likely complement missing symbiont genes. However, none of these horizontally transferred genes are from Tremblaya, showing that genome reduction in this symbiont has not been enabled by gene transfer to the host nucleus. Our results thus indicate that the functioning of this three-way symbiosis is dependent on genes from at least six lineages of organisms and reveal a path to intimate endosymbiosis distinct from that followed by organelles.

A strictly host-dependent lifestyle has profound evolutionary consequences for bacterial genomes. Most prominent is a sometimes-dramatic amount of gene loss and genome reduction. Recently, highly reduced genomes from the co-resident intracellular symbionts of sharpshooters were shown to exhibit a striking level of metabolic interdependence. One symbiont, called Sulcia muelleri (Bacteroidetes), can produce eight of the 10 essential amino acids, despite having a genome of only 245 kb. The other, Baumannia cicadellinicola (γ-Proteobacteria), can produce the remaining two essential amino acids as well as many vitamins. Cicadas also contain the symbiont Sulcia , but lack Baumannia and instead contain the co-resident symbiont Hodgkinia cicadicola (α-Proteobacteria). Here we report that, despite at least 200 million years of divergence, the two Sulcia genomes have nearly identical gene content and gene order. Additionally, we show that despite being phylogenetically distant and drastically different in genome size and architecture, Hodgkinia and Baumannia have converged on gene sets conferring similar capabilities for essential amino acid biosynthesis, in both cases precisely complementary to the pathways conserved in Sulcia . In contrast, they have completely divergent capabilities for vitamin biosynthesis. Despite having the smallest gene set known in bacteria, Hodgkinia devotes at least 7% of its proteome to cobalamin (vitamin B 12 ) biosynthesis, a significant metabolic burden. The presence of these genes can be explained by Hodgkinia 's retention of the cobalamin-dependent version of methionine synthase instead of the cobalamin-independent version found in Baumannia , a situation that necessitates retention of cobalamin biosynthetic capabilities to make the essential amino acid methionine.

Summary

 Highly reduced genomes of 144–416 kilobases have been described from nutrient-provisioning bacterial symbionts of several insect lineages [1–5]. Some host insects have formed stable associations with pairs of bacterial symbionts that live in specialized cells and provide them with essential nutrients; genomic data from these systems have revealed remarkable levels of metabolic complementarity between the symbiont pairs [3, 4, 6, 7]. The mealybug Planococcus citri (Hemiptera: Pseudococcidae) contains dual bacterial symbionts existing with an unprecedented organization: an unnamed gammaproteobacteria, for which we propose the name Candidatus Moranella endobia, lives inside the betaproteobacteria Candidatus Tremblaya princeps [8]. Here we describe the complete genomes and metabolic contributions of these unusual nested symbionts. We show that whereas there is little overlap in retained genes involved in nutrient production between symbionts, several essential amino acid pathways in the mealybug assemblage require a patchwork of interspersed gene products from Tremblaya, Moranella, and possibly P. citri. Furthermore, although Tremblaya has the smallest cellular genome yet described, it contains a genomic inversion present in both orientations in individual insects, starkly contrasting with the extreme structural stability typical of highly reduced bacterial genomes [4, 9, 10].

Obligate symbioses with nutrient-provisioning bacteria have originated often during animal evolution and have been key to the ecological diversification of many invertebrate groups. To date, genome sequences of insect nutritional symbionts have been restricted to a related cluster within Gammaproteobacteria and have revealed distinctive features, including extreme reduction, rapid evolution, and biased nucleotide composition. Using recently developed sequencing technologies, we show that Sulcia muelleri , a member of the Bacteroidetes, underwent similar genomic changes during coevolution with its sap-feeding insect host (sharpshooters) and the coresident symbiont Baumannia cicadellinicola (Gammaproteobacteria). At 245 kilobases, Sulcia 's genome is approximately one tenth of the smallest known Bacteroidetes genome and among the smallest for any cellular organism. Analysis of the coding capacities of Sulcia and Baumannia reveals striking complementarity in metabolic capabilities.

The main genomic changes in the evolution of host-restricted microbial symbionts are ongoing inactivation and loss of genes combined with rapid sequence evolution and extreme structural stability; these changes reflect high levels of genetic drift due to small population sizes and strict clonality. This genomic erosion includes irreversible loss of genes in many functional categories and can include genes that underlie the nutritional contributions to hosts that are the basis of the symbiotic association. Candidatus Sulcia muelleri is an ancient symbiont of sap-feeding insects and is typically coresident with another bacterial symbiont that varies among host subclades. Previously sequenced Sulcia genomes retain pathways for the same eight essential amino acids, whereas coresident symbionts synthesize the remaining two. Here, we describe a dual symbiotic system consisting of Sulcia and a novel species of Betaproteobacteria, Candidatus Zinderia insecticola, both living in the spittlebug Clastoptera arizonana. This Sulcia has completely lost the pathway for the biosynthesis of tryptophan and, therefore, retains the ability to make only 7 of the 10 essential amino acids. Zinderia has a tiny genome (208 kb) and the most extreme nucleotide base composition (13.5% G + C) reported to date, yet retains the ability to make the remaining three essential amino acids, perfectly complementing capabilities of the coresident Sulcia. Combined with the results from related symbiotic systems with complete genomes, these data demonstrate the critical role that bacterial symbionts play in the host insect's biology and reveal one outcome following the loss of a critical metabolic activity through genome reduction.

The genetic code relates nucleotide sequence to amino acid sequence and is shared across all organisms, with the rare exceptions of lineages in which one or a few codons have acquired novel assignments. Recoding of UGA from stop to tryptophan has evolved independently in certain reduced bacterial genomes, including those of the mycoplasmas and some mitochondria. Small genomes typically exhibit low guanine plus cytosine (GC) content, and this bias in base composition has been proposed to drive UGA Stop to Tryptophan (Stop-->Trp) recoding. Using a combination of genome sequencing and high-throughput proteomics, we show that an alpha-Proteobacterial symbiont of cicadas has the unprecedented combination of an extremely small genome (144 kb), a GC-biased base composition (58.4%), and a coding reassignment of UGA Stop-->Trp. Although it is not clear why this tiny genome lacks the low GC content typical of other small bacterial genomes, these observations support a role of genome reduction rather than base composition as a driver of codon reassignment.

Significance Mealybugs are plant sap-sucking insects with a nested symbiotic arrangement, where one bacterium lives inside another bacterium, which together live inside insect cells. These two bacteria, along with genes transferred from other bacteria to the insect genome, allow the insect to survive on its nutrient-poor diet. Here, we show that the innermost bacterium in this nested symbiosis was replaced several times over evolutionary history. These results show that highly integrated and interdependent symbiotic systems can experience symbiont replacement and suggest that similar dynamics could have occurred in building the mosaic metabolic pathways seen in mitochondria and plastids.