The honeybee gut microbiome is crucial for degrading diverse pollen glycans. Yet it is unclear how this process shapes the interactions among bacteria. Here, we demonstrate a conditional mutualistic interaction between strains of two honeybee gut bacteria Bifidobacterium asteroides and Gilliamella apicola. When co-occurring in vitro and in vivo, Bifidobacterium provides complementary demethylation service to promote Gilliamella growth on methylated homogalacturonan, an enriched polysaccharide of pectin. In exchange, Gilliamella shares digestive products with Bifidobacterium, through which a positive interaction is established. This positive interaction vanishes when Bifidobacterium is not required on a non-methylated diet. Results from biochemical and gene expression analyses combined with model simulation further suggest that the ratio change of the two major homogalacturonan breakdown products, galacturonic acid (GalA) and di-GalA, determines the bacterial interaction. This study unravels how glycan metabolism may shape the interactions between honeybee gut bacteria. Microbial interactions of the honey bee gut microbiome are incompletely understood. Here, the authors report a reciprocal interaction between two core bacterial genera: Bifidobacterium aids in demethylation of the pectin backbone enabling its breakdown by Gilliamella; in return, Gilliamella shares digestion products.

Spatial analysis of microbiomes at single cell resolution with high multiplexity and accuracy has remained challenging. Here we present spatial profiling of a microbiome using sequential error-robust fluorescence in situ hybridization (SEER-FISH), a highly multiplexed and accurate imaging method that allows mapping of microbial communities at micron-scale. We show that multiplexity of RNA profiling in microbiomes can be increased significantly by sequential rounds of probe hybridization and dissociation. Combined with error-correction strategies, we demonstrate that SEER-FISH enables accurate taxonomic identification in complex microbial communities. Using microbial communities composed of diverse bacterial taxa isolated from plant rhizospheres, we show that SEER-FISH can quantify the abundance of each taxon and map microbial biogeography on roots. SEER-FISH should enable accurate spatial profiling of the ecology and function of complex microbial communities.

Abstract Complex microbial interactions can lead to different colonization outcomes of exogenous species, be they pathogenic or beneficial in nature. Predicting the colonization of exogenous species in complex communities remains a fundamental challenge in microbial ecology, mainly due to our limited knowledge of the diverse physical, biochemical, and ecological processes governing microbial dynamics. Here, we proposed a data-driven approach independent of any dynamics model to predict colonization outcomes of exogenous species from the baseline compositions of microbial communities. We systematically validated this approach using synthetic data, finding that machine learning models (including Random Forest and neural ODE) can predict not only the binary colonization outcome but also the post-invasion steady-state abundance of the invading species. Then we conducted colonization experiments for two commensal gut bacteria species Enterococcus faecium and Akkermansia muciniphila in hundreds of human stool-derived in vitro microbial communities, confirming that the data-driven approach can successfully predict the colonization outcomes. Furthermore, we found that while most resident species were predicted to have a weak negative impact on the colonization of exogenous species, strongly interacting species could significantly alter the colonization outcomes, e.g., the presence of Enterococcus faecalis inhibits the invasion of E. faecium . The presented results suggest that the data-driven approach is a powerful tool to inform the ecology and management of complex microbial communities.

ABSTRACT Plant-associated microbiota affect pant growth and development by regulating plant hormones homeostasis. Indole-3-acetic acid (IAA), a well-known plant hormone, can be produced by various plant-associated bacteria. However, the prevalence of microbes with the capacity to degrade IAA in the rhizosphere has not been systematically studied. In this study, we analyzed the IAA degradation capabilities of bacterial isolates from the roots of Arabidopsis and rice. Using genomics analysis and in vitro assays, we found that 21 out of 189 taxonomically diverse bacterial isolates possess the ability to degrade IAA. Through comparative genomics and transcriptomic assays, we identified iac-like or iad-like operon in the genomes of these IAA degraders. Additionally, the regulator of the operon was found to be highly conserved among these strains through protein structure similarity analysis. Some of the IAA degraders could utilize IAA as their sole carbon and energy source. In planta , most of the IAA degrading strains mitigated Arabidopsis seedling root growth inhibition (RGI) triggered by exogenous IAA. Importantly, we observed increased colonization preference of IAA degraders from soil to root according to the frequency of the biomarker genes in metagenome-assembled genomes (MAGs) collected from different habitats, suggesting that there is a close association between IAA degraders and IAA-producers. In summary, our findings further the understanding of the functional diversity and roles of plant-associated microbes.

A comprehensive investigation was conducted to examine the magnetic properties and magnetocaloric effect (MCE) around the phase transition temperature of the intermetallic Ho1-xTbxCo2 (x=0.05, 0.1, and 0.15) alloys. X-ray diffraction (XRD) investigations reveal that the single-phase alloys crystallize in the cubic phase (space group Fd3̅m) at room temperature and undergo a structural transition to the tetragonal phase (space group I41/amd) below their Curie temperatures. These alloys demonstrated a metamagnetic transition around their respective phase transition temperatures, accompanied by a remarkable MCE and negligible hysteresis loss. The Landau free energy study confirmed the existence of the first-order magnetic transition in the aforementioned samples. The spin reorientation occurring below the transition temperature was observed. The studied alloys displayed significant magnetic entropy change (ΔSM) values of 15.6 JKg−1K−1, 15.2 JKg−1K−1, and 13.06 JKg−1K−1 in a wide temperature span over 20 K under a magnetic field change (ΔH) of 5 T for x=0.05, 0.1, and 0.15, respectively. Furthermore, large refrigerant capacities (RC) of 323.6 Jkg−1, 311.28 Jkg−1, and 323.46 Jkg−1 were achieved under ΔH=5 T for these alloys. An unexpected asymmetric broadening of the ΔSM peak was observed as the magnetic field increased. A significant change in the adiabatic temperature (ΔTad) of 5.3–6 K was achieved under ΔH=5 T. The outstanding magnetocaloric performance of studied materials may make them promising for magnetic refrigeration applications within the 87–105 K temperature range.