RNAcentral is a comprehensive database of non-coding RNA (ncRNA) sequences that provides a single access point to 44 RNA resources and >18 million ncRNA sequences from a wide range of organisms and RNA types. RNAcentral now also includes secondary (2D) structure information for >13 million sequences, making RNAcentral the world's largest RNA 2D structure database. The 2D diagrams are displayed using R2DT, a new 2D structure visualization method that uses consistent, reproducible and recognizable layouts for related RNAs. The sequence similarity search has been updated with a faster interface featuring facets for filtering search results by RNA type, organism, source database or any keyword. This sequence search tool is available as a reusable web component, and has been integrated into several RNAcentral member databases, including Rfam, miRBase and snoDB. To allow for a more fine-grained assignment of RNA types and subtypes, all RNAcentral sequences have been annotated with Sequence Ontology terms. The RNAcentral database continues to grow and provide a central data resource for the RNA community. RNAcentral is freely available at https://rnacentral.org.

Tailocins are bactericidal protein complexes produced by a wide variety of bacteria that kill closely related strains and may play a role in microbial community structure. Thanks to their high specificity, tailocins have been proposed as precision antibacterial agents for therapeutic applications. Compared to tailed phages, with whom they share an evolutionary and morphological relationship, bacterially produced tailocins kill their host upon production but producing strains display resistance to self-intoxication. Though lipopolysaccharide (LPS) has been shown to act as a receptor for tailocins, the breadth of factors involved in tailocin sensitivity, and the mechanisms behind resistance to self-intoxication, remain unclear. Here, we employed genome-wide screens in four non-model pseudomonads to identify mutants with altered fitness in the presence of tailocins produced by closely related pseudomonads. Our mutant screens identified O-antigen composition and display as most important in defining sensitivity to our tailocins. In addition, the screens suggest LPS thinning as a mechanism by which resistant strains can become more sensitive to tailocins. We validate many of these novel findings, and extend these observations of tailocin sensitivity to 130 genome-sequenced pseudomonads. This work offers insights into tailocin-bacteria interactions, informing the potential use of tailocins in microbiome manipulation and antibacterial therapy.

Summary Though bacteriophages (phages) are known to play a crucial role in bacterial fitness and virulence, our knowledge about the genetic basis of their interaction, cross-resistance and host-range is sparse. Here, we employed genome-wide screens in Salmonella enterica serovar Typhimurium to discover host determinants involved in resistance to eleven diverse lytic phages including 4 new phages isolated from a therapeutic phage cocktail. We uncovered 301 diverse host factors essential in phage infection, many of which are shared between multiple phages demonstrating potential cross-resistance mechanisms. We validate many of these novel findings and uncover the intricate interplay between RpoS, the virulence-associated general stress response sigma factor and RpoN, the nitrogen starvation sigma factor in phage cross-resistance. Finally, the infectivity pattern of eleven phages across a panel of 23 genome sequenced Salmonella strains indicates that additional constraints and interactions beyond the host factors uncovered here define the phage host range.

Abstract Metagenomics facilitates the study of the genetic information from uncultured microbes and complex microbial communities. Assembling complete microbial genomes ( i.e ., circular with no misassemblies) from metagenomics data is difficult because most samples have high organismal complexity and strain diversity. Less than 100 circularized bacterial and archaeal genomes have been assembled from metagenomics data despite the thousands of datasets that are available. Circularized genomes are important for (1) building a reference collection as scaffolds for future assemblies, (2) providing complete gene content of a genome, (3) confirming little or no contamination of a genome, (4) studying the genomic context and synteny of genes, and (5) linking protein coding genes to ribosomal RNA genes to aid metabolic inference in 16S rRNA gene sequencing studies. We developed a method to achieve circularized genomes using iterative assembly, binning, and read mapping. In addition, this method exposes potential misassemblies from k-mer based assemblies. We chose species of the Candidate Phyla Radiation (CPR) to focus our initial efforts because they have small genomes and are only known to have one ribosomal RNA operon. We present 34 circular CPR genomes, one circular Margulisbacteria genome, and two circular megaphage genomes from 19 public and published datasets. We demonstrate findings that would likely be difficult without circularizing genomes, including that ribosomal genes are likely not operonic in the majority of CPR, and that some CPR harbor diverged forms of RNase P RNA. Code and a tutorial for this method is available at https://github.com/lmlui/Jorg .

Abstract Biofilms aid bacterial adhesion to surfaces via direct and indirect mechanisms, and formation of biofilms is considered as an important strategy for adaptation and survival in sub-optimal environmental conditions. However, the molecular underpinnings of biofilm formation in subsurface sediment/groundwater ecosystems where microorganisms often experience fluctuations in nutrient input, pH, nitrate or metal concentrations is underexplored. We examined biofilm formation under different nutrient, pH, metal, and nitrate regimes of 16 Rhodanobacter strains isolated from subsurface groundwater wells spanning diverse pH (3.5 to 5) and nitrate levels (13.7 to 146 mM). Eight Rhodanobacter strains demonstrated significant biofilm growth under low pH, suggesting adaptation to survive and grow at low pH. Biofilms intensified under aluminum stress, particularly in strains possessing fewer genetic traits associated with biofilm formation warranting further investigation. Through RB-TnSeq, proteomics, use of specific mutants and transmission electron microscopy analysis, we discovered flagellar loss under aluminum stress, indicating a potential relationship between motility, metal tolerance, and biofilm growth. Comparative genomic analyses revealed absence of flagella and chemotaxis genes, and presence of putative Type VI secretion system in the high biofilm-forming strain FW021-MT20. This study identifies genetic determinants associated with biofilm growth in a predominant environmental genus, Rhodanobacter, under metal stress and identifies traits aiding survival and adaptation to contaminated subsurface environments.

ABSTRACT Castellaniella species have been isolated from a variety of mixed-waste environments including the nitrate and multiple metal contaminated subsurface at the Oak Ridge Reservation (ORR). Previous studies examining microbial community composition and nitrate removal at ORR during biostimulation efforts reported increased abundances of members of the Castellaniella genus concurrent to increased denitrification rates. Thus, we asked how genomic and abiotic factors control the Castellaniella biogeography at the site to understand how these factors may influence nitrate transformation in an anthropogenically impacted setting. ORR Castellaniella strains showed a higher degree of genetic diversification than those originating from non-ORR sites, which we attribute to the multitude of extreme stressors faced in the ORR subsurface. We report the isolation and characterization of several Castellaniella strains from the ORR subsurface. Five of these isolates match at 100% identity (at the 16S rRNA gene V4 region) to two Castellaniella amplicon sequence variants (ASVs), ASV1 and ASV2, that have persisted in the ORR subsurface for at least two decades. However, ASV2 has consistently higher relative abundance in samples taken from the site and was also the dominant blooming denitrifier population during a prior biostimulation effort. We found that the ASV2 representative strain has greater resistance to mixed metal stress than the ASV1 representative strains. We attribute this resistance, in part, to the large number of unique heavy metal resistance genes identified on a genomic island in the ASV2 representative genome. Additionally, we suggest that the relatively lower fitness of ASV1 may be connected to the loss of the nitrous oxide reductase ( nos ) operon (and associated nitrous oxide reductase activity) due to the insertion at this genomic locus of a mobile genetic element carrying copper resistance genes. This study demonstrates the value of integrating genomic, environmental, and phenotypic data to characterize the biogeography of key microorganisms in contaminated sites.

Abstract Our ability to predict, control, or design biological function is fundamentally limited by poorly annotated gene function. This can be particularly challenging in non-model systems. Accordingly, there is motivation for new high-throughput methods for accurate functional annotation. Here, we use co mplementation of aux otrophs and DNA barcode seq uencing (Coaux-Seq) to enable high-throughput characterization of protein function. Fragment libraries from eleven genetically diverse bacteria were tested in twenty different auxotrophic strains of Escherichia coli to identify genes that complement missing biochemical activity. Although assay effectiveness ranged with respect to source genome, with 41% of expected enzymes recovered, even distant E. coli relatives like Bacillus subtilis and Bacteroides thetaiotaomicron showed success. Coaux-Seq provided the first experimental validation for 53 proteins, of which 11 are less than 40% identical to an experimentally characterized protein on an amino acid basis. Among unexpected function identified was a sulfate uptake transporter, an O-succinylhomoserine sulfhydrylase for methionine synthesis, and an aminotransferase. We also identified instances of cross-feeding wherein protein overexpression and nearby non-auxotrophic strains enabled growth. Altogether, Coaux-Seq’s utility is demonstrated, with future applications in ecology, health, and engineering.

Mobile genetic elements (MGEs) like plasmids, viruses, and transposable elements can provide fitness benefits to their hosts for survival in the presence of environmental stressors. Heavy metal resistance genes (HMRGs) are frequently observed on MGEs, suggesting that MGEs may be an important driver of adaptive evolution in environments contaminated with heavy metals. Here, we report the meta-mobilome of the heavy metal contaminated regions of the Oak Ridge Reservation (ORR) subsurface. This meta-mobilome was compared to one derived from samples collected from unimpacted regions of the ORR subsurface. We assembled 1,615 unique circularized DNA elements that we propose to be MGEs. The circular elements from the highly contaminated subsurface were enriched in HMRG clusters relative to those from the nearby unimpacted regions. Additionally, we found that these HMRGs were associated with Gamma and Betaproteobacteria hosts in the contaminated subsurface - potentially facilitating the persistence and dominance of these taxa in this region. Finally, the HMRGs were associated with conjugative elements, suggesting their potential for future lateral transfer. In summary, we demonstrate how our understanding of MGE ecology, evolution, and function can be enhanced through the genomic context provided by completed MGE assemblies.

Abstract Microbial-mediated nitrate removal from groundwater is widely recognized as the predominant mechanism for nitrate attenuation in contaminated aquifers and is largely dependent on the presence of a carbon-bearing electron donor. The repeated exposure of a natural microbial community to an electron donor can result in the sustained ability of the community to remove nitrate; this phenomenon has been clearly demonstrated at the laboratory scale. However, in situ demonstrations of this ability are lacking. For this study, ethanol (electron donor) was repeatedly injected into a groundwater well (treatment) for six consecutive weeks to establish the sustained ability of a microbial community to remove nitrate. A second well (control) located up-gradient was not injected with ethanol during this time. The treatment well demonstrated strong evidence of sustained ability as evident by concomitant ethanol and nitrate removal and subsequent sulfate removal upon consecutive exposures. Both wells were then monitored for six additional weeks under natural (no injection) conditions. During the final week, ethanol was injected into both treatment and control wells. The treatment well demonstrated sustained ability as evident by concomitant ethanol and nitrate removal whereas the control did not. Surprisingly, the treatment well did not indicate a sustained and selective enrichment of a microbial community. These results suggested that the predominant mechanism(s) of sustained ability likely exist at the enzymatic- and/or genetic-levels. The results of this study demonstrated that the in situ ability of a microbial community to remove nitrate can be sustained in the prolonged absence of an electron donor. Moreover, these results implied that the electron-donor exposure history of nitrate-contaminated groundwater can play an important role nitrate attenuation. Article Impact Statement Groundwater microbes sustain ability to remove nitrate in absence of carbon and energy source.

The processing of sediment to accurately characterize the spatially-resolved depth profiles of geophysical and geochemical properties along with signatures of microbial density and activity remains a challenge especially in complex contaminated environments. To provide site assessment for a larger study, we processed cores from two sediment boreholes from background and contaminated core sediments and surrounding groundwater from the ENIGMA Field Research Site at the United States Department of Energy (DOE) Oak Ridge Reservation (ORR). We compared fresh core sediments by depth to capture the changes in sediment structure, sediment minerals, biomass, and pore water geochemistry in terms of major and trace elements including contaminants, cations, anions, and organic acids. Soil porewater samples were matched to groundwater level, flow rate, and preferential flows and compared to homogenized groundwater-only samples from neighboring monitoring wells. This environmental systems approach provided detailed site-specific biogeochemical information from the various properties of subsurface media to reveal the influences of solid, liquid, and gas phases. Groundwater analysis of nearby wells only revealed high sulfate and nitrate concentrations while the same analysis using sediment pore water samples with depth was able to suggest areas high in sulfate- and nitrate- reducing bacteria based on their decreased concentration and production of reduced by-products that could not be seen in the groundwater samples. Positive correlations among porewater content, total organic carbon, trace metals and clay minerals revealed a more complicated relationship among contaminant, sediment texture, groundwater table, and biomass. This suggested that groundwater predominantly flowed through preferential paths with high flux and little mixing with water in the interstices of sediment particles, which could impact microbial activity. The abundant clay minerals with high surface area and high water-holding capacity of micro-pores of the fine clay rich layer suggest suppression of nutrient supply to microbes from the surface. The fluctuating capillary interface had high concentrations of Fe and Mn-oxides combined with trace elements including U, Th, Sr, Ba, Cu, and Co. This suggests the mobility of highly toxic elements, sediment structure, and biogeochemical factors are all linked together to impact microbial communities, emphasizing that solid interfaces play an important role in determining the abundance of bacteria in the sediments.