ABSTRACT As the oldest extant metazoans, sponges (Phylum Porifera ) have been forming symbiotic relationships with microbes that may date back as far as 700 million years. Most symbionts are conserved within a narrow host range and perform specialized functions. However, there are widely distributed bacterial taxa such as Poribacteria, SAUL and Tethybacterales that are found in a broad range of invertebrate hosts. Here, we added eleven new genomes to the Tethybacterales order, identified a novel family, and show that functional potential differs between the three Tethybacterales families. We compare the Tethybacterales with the well-characterized Entoporibacteria and show that these broad-host range, sponge-associated bacteria likely perform distinct functions within their hosts and that their respective phylogenies are incongruent with their host phylogenies. These results suggests that ancestors of these bacteria may have undergone multiple association events, rather than a single association event followed by co-evolution. IMPORTANCE Marine sponges often form symbiotic relationships with bacteria that fulfil a specific need within the sponge holobiont, and these symbionts are often conserved within a narrow range of related taxa. To date, there exist only three know bacterial taxa ( Entoporibacteria, SAUL and Tethybacterales ) that are globally distributed and found in a broad range of sponge hosts, and little is known about the latter two. Understanding what distinguishes these broad-host range symbionts from specialized symbionts will provide insight into the mechanisms by which sponges form these symbioses. We show that the functional potential of broad-host range symbionts is conserved at a family level and that these symbionts have been acquired several times over evolutionary history. This contrasts with specialized symbionts, where function is often a strain-specific trait and have co-evolved with their host following a single association event.

Abstract Microbial symbionts associate with multicellular organisms on a continuum from facultative associations to mutual codependency. In some of the oldest intracellular symbioses there is exclusive vertical symbiont transmission, and co-diversification of symbiotic partners over millions of years. Such symbionts often undergo genome reduction due to low effective population sizes, frequent population bottlenecks, and reduced purifying selection. Here, we describe multiple independent acquisition events of closely related defensive symbionts followed by genome erosion in a group of Lagriinae beetles. Previous work in Lagria villosa revealed the dominant genome-eroded symbiont of the genus Burkholderia produces the antifungal compound lagriamide and protects the beetle’s eggs and larvae from antagonistic fungi. Here, we use metagenomics to assemble 11 additional genomes of lagriamide-producing symbionts from seven different host species within Lagriinae from five countries, to unravel the evolutionary history of this symbiotic relationship. In each host species, we detected one dominant genome-eroded Burkholderia symbiont encoding the lagriamide biosynthetic gene cluster (BGC). Surprisingly, however, we did not find evidence for host-symbiont co-diversification, or for a monophyly of the lagriamide-producing symbionts. Instead, our analyses support at least four independent acquisition events of lagriamide-encoding symbionts and subsequent genome erosion in each of these lineages. By contrast, a clade of plant-associated relatives retained large genomes but secondarily lost the lagriamide BGC. In conclusion, our results reveal a dynamic evolutionary history with multiple independent symbiont acquisitions characterized by high degree of specificity. They highlight the importance of the specialized metabolite lagriamide for the establishment and maintenance of this defensive symbiosis.

ABSTRACT In 2019, we developed Autometa, an automated binning pipeline that is able to effectively recover metagenome-assembled genomes from complex environmental and non-model host-associated microbial communities. Autometa has gained widespread use in a variety of environments and has been applied in multiple research projects. However, the genome-binning workflow was at times overly complex and computationally demanding. As a consequence of Autometa’s diverse application, non-technical and technical researchers alike have noted its burdensome installation and inefficient as well as error-prone processes. Moreover its taxon-binning and genome-binning behaviors have remained obscure. For these reasons we set out to improve its accessibility, efficiency and efficacy to further enable the research community during their exploration of Earth’s environments. The highly augmented Autometa 2 release, which we present here, has vastly simplified installation, a graphical user interface and a refactored workflow for transparency and reproducibility. Furthermore, we conducted a parameter sweep on standardized community datasets to show that it is possible for Autometa to achieve better performance than any other binning pipeline, as judged by Adjusted Rand Index. Improvements in Autometa 2 enhance its accessibility for non-bioinformatic oriented researchers, scalability for large-scale and highly-complex samples and interpretation of recovered microbial communities. Graphical abstract Autometa: An automated taxon binning and genome binning workflow for single sample resolution of metagenomic communities.

Bacterial symbionts are critical members of many marine sponge holobionts. Some sponge-associated bacterial lineages, such as Poribacteria, SAUL, and Tethybacterales appear to have broad host ranges and associate with a diversity of sponge species, while others are more species-specific, having adapted to the niche environment of their host. Host-associated spirochete symbionts that are numerically dominant have been documented in several invertebrates including termites, starfish, and corals. However, dominant spirochete populations are relatively rare in marine sponges, thus far only observed in Clathrina clathrus and various species within the Latrunculiidae sponge family, where they are co-dominant alongside Tethybacterales symbionts. This study aimed to characterize these spirochetes and their potential role in the host sponge. Analysis of metagenome-assembled genomes (MAGs) from eight latrunculid sponges revealed that these unusual spirochetes are relatively recent symbionts currently undergoing genome erosion and are phylogenetically distinct from other sponge-associated spirochetes. Functional comparative analysis suggests that the host sponge may select for these spirochetes due to their ability to produce methionine and/or their ability to produce terpenoids. A dysbiosis of spirochete strains was correlated with a change in host chemotype suggesting that the spirochete populations may play a role in shaping the abundances of different pyrroloiminoquinone compounds characteristic of latrunculid sponges.

The loss of functions required for independent life when living within a host gives rise to reduced genomes in obligate bacterial symbionts. Although this phenomenon can be explained by existing evolutionary models, its initiation is not well understood. Here, we describe the microbiome associated with eggs of the beetle Lagria villosa, containing multiple bacterial symbionts related to Burkholderia gladioli including a reduced-genome symbiont thought to produce the defensive compound lagriamide. We find that the putative lagriamide producer is the only symbiont undergoing genome reduction, and that it has already lost most primary metabolism and DNA repair pathways. The horizontal acquisition of the lagriamide biosynthetic gene cluster likely preceded genome reduction, and unexpectedly we found that the symbiont accepted additional genes horizontally during genome reduction, even though it lacks the capacity for homologous recombination. These horizontal gene transfers suggest that absolute genetic isolation is not a requirement for genome reduction.

Stromatolites are complex microbial mats that form lithified layers and ancient forms are the oldest evidence of life on earth, dating back over 3.4 billion years. Modern stromatolites are relatively rare but may provide clues about the function and evolution of their ancient counterparts. In this study, we focus on peritidal stromatolites occurring at Cape Recife and Schoenmakerskop on the southeastern South African coastline. Using assembled shotgun metagenomic data we obtained 183 genomic bins, of which the most dominant taxa were from the Cyanobacteriia class (Cyanobacteria phylum), with lower but notable abundances of bacteria classified as Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria and Bacteroidia. We identified functional gene sets in bacterial species conserved across two geographically distinct stromatolite formations, which may promote carbonate precipitation through the reduction of nitrogenous compounds and possible production of calcium ions. We propose that an abundance of extracellular alkaline phosphatases may lead to the formation of phosphatic deposits within these stromatolites. We conclude that the cumulative effect of several conserved bacterial species drives accretion in these two stromatolite formations.ORIGINALITY-SIGNIFICANCE Peritidal stromatolites are unique among stromatolite formations as they grow at the dynamic interface of calcium carbonate-rich groundwater and coastal marine waters. The peritidal space forms a relatively unstable environment and the factors that influence the growth of these peritidal structures is not well understood. To our knowledge, this is the first comparative study that assesses species conservation within the microbial communities of two geographically distinct peritidal stromatolite formations. We assessed the potential functional roles of these communities using genomic bins clustered from metagenomic sequencing data. We identified several conserved bacterial species across the two sites and hypothesize that their genetic functional potential may be important in the formation of pertidal stromatolites. We contrasted these findings against a well-studied site in Shark Bay, Australia and show that, unlike these hypersaline formations, archaea do not play a major role in peritidal stromatolite formation. Furthermore, bacterial nitrogen and phosphate metabolisms of conserved species may be driving factors behind lithification in peritidal stromatolites.

ABSTRACT We investigated transcriptional activity, at a genome-resolved level, of bacterial communities in two S. officinalis and two I. felix sponges, both of which are considered high microbial abundance (HMA) sponges that harbor similar bacterial communities. Overlap of metatranscriptional data on genome-resolved metagenomic data showed that genome bins classified within the Chloroflexota and Poribacteria phyla were the most abundant and transcriptionally active. However, abundant bins in general were not the most transcriptionally active, instead less abundant bins of the same phyla were most active indicating that numerical dominance does not imply transcriptional dominance. We found that although some primary metabolic functions appeared upregulated, they were not obviously attributable to any particular bacterial species. However, assessment of transcription levels of biosynthetic gene clusters (BGCs) encoding secondary metabolites revealed a high transcription of ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs) in genome bins across diverse bacterial phyla, most of which were likely srp RiPPs encoding brominated azol(in)e-containing compounds. However, the ecological role of these compounds remains elusive. IMPORTANCE Marine sponges and bacteria have formed close associations over several million years with many bacteria performing specialized functions within their sponge host. Previous studies have either assessed the genomes of a given sponge or the expression profile for a sponge holobiont as a whole. Here, we present the first genome-resolved transcriptomic study which gives us a snapshot of the transcriptional activity of individual bacteria in the context of four different sponge holobionts. Using this approach we found that the numerically dominant bacteria were not the most transcriptionally active and that relatively high expression of a ubiquitous biosynthetic gene cluster was evident in many different bacterial phyla in all four sponge samples.

Abstract Background Studies attempting to observe microbes commonly considered uncultivable under standard laboratory conditions are turning to so-called “deep” environmental sequencing approaches whereby they may access these unculturable organisms’ genomes via in silico approaches. A typical workflow involves metagenome assembly, annotation, and binning for reconstruction of each respective organism’s genome (or metagenome-assembled genome, MAG). Many automated genome binning approaches have been developed and have displayed a wide range of variation in performance. Therefore, refinement methods have been developed in order to aid manual curation following the automated genome binning process. Current manual curation tools were developed with a focus towards teaching metagenomics concepts and may fail when handling complex datasets containing many microbes. Automappa was developed with a focus on overlaying a variety of annotations such as taxonomy, coverage and marker-gene prevalence while maintaining an implementation that may scale to the complexity of environmental samples. Results We present Automappa, a companion tool and interactive interface for exploration and refinement of Autometa taxon and genome binning results from metagenomes. Selections provide real-time updates of MAG metrics to aid manual curation. Furthermore, researchers may detect unbinned MAGs as well as manually improve their draft-quality MAGs with contigs that closely match the MAG’s genome characteristics. Automappa’s utility has previously been demonstrated on host-associated, marine and terrestrial systems with a total of 242 curated MAGs across fourteen published metagenomes. Of these refined MAGs, the number of high-quality and medium-quality bins increased, consequently lowering the number of low-quality bins and decreasing the amount of data discarded from downstream analyses. The recovery of higher quality MAGs improved the confidence in results and strengthened the resultant conclusions of these respective studies. Automappa consists of three tabs, one for uploading a user’s metagenome data, another for exploration and refinement and the last for providing an overall summary of the refined MAG results. Conclusions Automappa is an open source software package that allows researchers to easily assess and refine undetected or draft-quality MAGs from their respective metagenomes. It is freely available under the GPLv3 license at https://github.com/WiscEvan/Automappa and through Figshare (doi: 10.6084/m9.figshare.22593235).