A global map of soil bacteria Soil bacteria play key roles in regulating terrestrial carbon dynamics, nutrient cycles, and plant productivity. However, the natural histories and distributions of these organisms remain largely undocumented. Delgado-Baquerizo et al. provide a survey of the dominant bacterial taxa found around the world. In soil collections from six continents, they found that only 2% of bacterial taxa account for nearly half of the soil bacterial communities across the globe. These dominant taxa could be clustered into ecological groups of co-occurring bacteria that share habitat preferences. The findings will allow for a more predictive understanding of soil bacterial diversity and distribution. Science , this issue p. 320

Recent studies increasingly note the effect of captivity or the built environment on the microbiome of humans and other animals. As symbiotic microbes are essential to many aspects of biology (e.g., digestive and immune functions), it is important to understand how lifestyle differences can impact the microbiome, and, consequently, the health of hosts. Animals living in captivity experience a range of changes that may influence the gut bacteria, such as diet changes, treatments, and reduced contact with other individuals, species and variable environmental substrates that act as sources of bacterial diversity. Thus far, initial results from previous studies point to a pattern of decreased bacterial diversity in captive animals. However, these studies are relatively limited in the scope of species that have been examined. Here we present a dataset that includes paired wild and captive samples from mammalian taxa across six Orders to investigate generalizable patterns of the effects captivity on mammalian gut bacteria. In comparing the wild to the captive condition, our results indicate that alpha diversity of the gut bacteria remains consistent in some mammalian hosts (bovids, giraffes, anteaters, and aardvarks), declines in the captive condition in some hosts (canids, primates, and equids), and increases in the captive condition in one host taxon (rhinoceros). Differences in gut bacterial beta diversity between the captive and wild state were observed for most of the taxa surveyed, except the even-toed ungulates (bovids and giraffes). Additionally, beta diversity variation was also strongly influenced by host taxonomic group, diet type, and gut fermentation physiology. Bacterial taxa that demonstrated larger shifts in relative abundance between the captive and wild states included members of the Firmicutes and Bacteroidetes. Overall, the patterns that we observe will inform a range of disciplines from veterinary practice to captive breeding efforts for biological conservation. Furthermore, bacterial taxa that persist in the captive state provide unique insight into symbiotic relationships with the host.

Protists are ubiquitous in soil, where they are key contributors to nutrient cycling and energy transfer. However, protists have received far less attention than other components of the soil microbiome. We used amplicon sequencing of soils from 180 locations across six continents to investigate the ecological preferences of protists and their functional contributions to belowground systems. We complemented these analyses with shotgun metagenomic sequencing of 46 soils to validate the identities of the more abundant protist lineages. We found that most soils are dominated by consumers, although parasites and phototrophs are particularly abundant in tropical and arid ecosystems, respectively. The best predictors of protist composition (primarily annual precipitation) are fundamentally distinct from those shaping bacterial and archaeal communities (namely, soil pH). Some protists and bacteria co-occur globally, highlighting the potential importance of these largely undescribed belowground interactions. Together, this study allowed us to identify the most abundant and ubiquitous protists living in soil, with our work providing a cross-ecosystem perspective on the factors structuring soil protist communities and their likely contributions to soil functioning.

Abstract Bacteria within the genus Mycobacterium can be abundant in showerheads, and the inhalation of aerosolized mycobacteria while showering has been implicated as a mode of transmission in nontuberculous mycobacterial (NTM) lung infections. Despite their importance, the diversity, distributions, and environmental predictors of showerhead-associated mycobacteria remain largely unresolved. To address these knowledge gaps, we worked with citizen scientists to collect showerhead biofilm samples and associated water chemistry data from 656 households located across the U.S. and Europe. Our cultivation-independent analyses revealed that the genus Mycobacterium was consistently the most abundant genus of bacteria detected in residential showerheads, yet mycobacterial diversity and abundances were highly variable. Mycobacteria were far more abundant, on average, in showerheads receiving municipal versus well water, and in U.S. households as compared to European households, patterns that are likely driven by differences in the use of chlorine disinfectants. Moreover, we found that water source, water chemistry, and household location also influenced the prevalence of specific mycobacterial lineages detected in showerheads. We identified geographic regions within the U.S. where showerheads have particularly high abundances of potentially pathogenic lineages of mycobacteria and these ‘hot spots’ generally overlapped with those regions where NTM lung disease is most prevalent. Together these results emphasize the public health relevance of mycobacteria in showerhead biofilms. They further demonstrate that mycobacterial distributions in showerhead biofilms are often predictable from household location and water chemistry, knowledge that advances our understanding of NTM transmission dynamics and the development of strategies to reduce exposures to these emerging pathogens.

Accounting for only 8% of Earth's land coverage, freshwater wetlands remain the foremost contributor to global methane emissions. Yet the microorganisms and processes underlying methane emissions from wetland soils remain poorly understood. Over a five-year period, we surveyed the microbial membership and in situ methane measurements from over 700 samples in one of the most prolific methane-emitting wetlands in the United States. We constructed a catalog of 2,502 metagenome-assembled genomes (MAGs), with nearly half of the 72 bacterial and archaeal phyla sampled containing novel lineages. Integration of these data with 133 soil metatranscriptomes provided a genome-resolved view of the biogeochemical specialization and versatility expressed in wetland soils. Centimeter-scale depth differences best explained patterns of microbial community structure and transcribed functionalities, even more so than land coverage or temporal information. Moreover, while extended flooding restructured soil redox, this perturbation failed to reconfigure the transcriptional profiles of methane cycling microorganisms, contrasting with theoretical expected responses to hydrological perturbations. Co-expression analyses coupled to depth resolved methane measurements exposed the metabolisms and trophic structures most predictive of methane hotspots. This compendium of biogeochemically-classified genomes and their spatiotemporal transcriptional patterns begins to untangle the microbial carbon, energy and nutrient processing contributing to soil methane production.

While research on the sourdough microbiome has primarily focused on lactic acid bacteria (LAB) and yeast, recent studies have found that acetic acid bacteria (AAB) are also common members. However, the ecology, genomic diversity, and functional contributions of AAB in sourdough remain unknown. To address this gap, we sequenced 29 AAB genomes, including three that represent putatively novel species, from a collection of over 500 sourdough starters surveyed globally from community scientists. We found variation in metabolic traits related to carbohydrate utilization, nitrogen metabolism, and alcohol production, as well as in genes related to mobile elements and defense mechanisms. Sourdough AAB genomes did not cluster when compared to AAB isolated from other environments, although a subset of gene functions were enriched in sourdough isolates. The lack of a sourdough-specific genomic cluster may reflect a nomadic lifestyle of AAB. To assess the consequences of AAB on the emergent function of sourdough starter microbiomes, we constructed synthetic starter microbiomes, varying only the AAB strain included. All AAB strains increased acidification of synthetic sourdough starters relative to yeast and LAB by 18.5% on average. Different strains of AAB had distinct effects on the profile of synthetic starter volatiles. Taken together, our results begin to define the key ways in which AAB shape emergent properties of starters and suggest that differences in gene content resulting from intraspecies diversification can have community-wide consequences on emergent function.

Differences between arbuscular (AM) and ectomycorrhizal (EcM) trees strongly influence forest ecosystem processes, in part through their impact on saprotrophic fungal communities. Ericoid mycorrhizal (ErM) shrubs likely also impact saprotrophic communities given that they can shape nutrient cycling by slowing decomposition rates and intensifying nitrogen limitation. We investigated the depth distributions of saprotrophic and EcM fungal communities in paired subplots with and without a common understory ErM shrub, mountain laurel (Kalmia latifolia L.), across an AM to EcM tree dominance gradient in a temperate forest by analyzing soils from the organic, upper mineral (0-10 cm), and lower mineral (cumulative depth of 30 cm) horizons. The presence of K. latifolia was strongly associated with the taxonomic and functional composition of saprotrophic and EcM communities. Saprotrophic richness was consistently lower in the Oa horizon when this ErM shrub species was present. However, in AM tree-dominated plots, the presence of the ErM shrub was associated with a higher relative abundance of saprotrophs. Given that EcM trees suppress both the diversity and relative abundance of saprotrophic communities, our results suggest that separate consideration of ErM shrubs and EcM trees may be necessary when assessing the impacts of plant mycorrhizal associations on belowground communities.

ABSTRACT While research on the sourdough microbiome has primarily focused on lactic acid bacteria (LAB) and yeast, recent studies have found that acetic acid bacteria (AAB) are also common members. However, the ecology, genomic diversity, and functional contributions of AAB in sourdough remain unknown. To address this gap, we sequenced 29 AAB genomes, including three that represent putatively novel species, from a collection of over 500 sourdough starters surveyed globally from community scientists. We found variations in metabolic traits related to carbohydrate utilization, nitrogen metabolism, and alcohol production, as well as in genes related to mobile elements and defense mechanisms. Sourdough AAB genomes did not cluster when compared to AAB isolated from other environments, although a subset of gene functions was enriched in sourdough isolates. The lack of a sourdough-specific genomic cluster may reflect the nomadic lifestyle of AAB. To assess the consequences of AAB on the emergent function of sourdough starter microbiomes, we constructed synthetic starter microbiomes, varying only the AAB strain included. All AAB strains increased the acidification of synthetic sourdough starters relative to yeast and LAB by 18.5% on average. Different strains of AAB had distinct effects on the profile of synthetic starter volatiles. Taken together, our results begin to define the ways in which AAB shape emergent properties of sourdough and suggest that differences in gene content resulting from intraspecies diversification can have community-wide consequences on emergent function. IMPORTANCE This study is a comprehensive genomic and ecological survey of acetic acid bacteria (AAB) isolated from sourdough starters. By combining comparative genomics with manipulative experiments using synthetic microbiomes, we demonstrate that even strains with >97% average nucleotide identity can shift important microbiome functions, underscoring the importance of species and strain diversity in microbial systems. We also demonstrate the utility of sourdough starters as a model system to understand the consequences of genomic diversity at the strain and species level on multispecies communities. These results are also relevant to industrial and home-bakers as we uncover the importance of AAB in shaping properties of sourdough starters that have direct impacts on sensory notes and the quality of sourdough bread.

Abstract Although river ecosystems comprise less than 1% of Earth’s total non-glaciated area, they are critical modulators of microbially and virally orchestrated global biogeochemical cycles. However, most studies either use data that is not spatially resolved or is collected at timepoints that do not reflect the short life cycles of microorganisms. As a result, the relevance of microbiome interactions and the impacts they have over time on biogeochemical cycles are poorly understood. To assess how viral and microbial communities change over time, we sampled surface water and pore water compartments of the wastewater-impacted River Erpe in Germany every 3 hours over a 48-hour period resulting in 32 metagenomes paired to geochemical and metabolite measurements. We reconstructed 6,500 viral and 1,033 microbial genomes and found distinct communities associated with each river compartment. We show that 17% of our vMAGs clustered to viruses from other ecosystems like wastewater treatment plants and rivers. Our results also indicated that 70% of the viral community was persistent in surface waters, whereas only 13% were persistent in the pore waters taken from the hyporheic zone. Finally, we predicted linkages between 73 viral genomes and 38 microbial genomes. These putatively linked hosts included members of the Competibacteraceae, which we suggest are potential contributors to carbon and nitrogen cycling. Together, these findings demonstrate that microbial and viral communities in surface waters of this urban river can exist as stable communities along a flowing river; and raise important considerations for ecosystem models attempting to constrain dynamics of river biogeochemical cycles.

Current estimates of wetland contributions to the global methane budget carry high uncertainty, particularly in accurately predicting emissions from high methane-emitting wetlands. Microorganisms mediate methane cycling, yet knowledge of their conservation across wetlands remains scarce. To address this, we integrated 1,118 16S rRNA amplicon datasets (116 new), 305 metagenomes (20 new) that yielded 4,745 medium and high-quality metagenome assembled genomes (MAGs; 617 new), 133 metatranscriptomes, and annual methane flux data across 9 wetlands to create the Multi-Omics for Understanding Climate Change (MUCC) v2.0.0 database. This new resource was leveraged to link microbiome compositional profiles to encoded functions and emissions, with specific focus on methane-cycling populations and the microbial carbon decomposition networks that fuel them. We identified eight methane-cycling genera that were conserved across wetlands, and deciphered wetland specific metabolic interactions across marshes, revealing low methanogen-methanotroph connectivity in high-emitting wetlands. Methanoregula emerged as a hub methanogen across networks and was a strong predictor of methane flux, demonstrating the potential broad relevance of methylotrophic methanogenesis in these ecosystems. Collectively, our findings illuminate trends between microbial decomposition networks and methane flux and provide an extensive publicly available database to advance future wetland research.