Large-scale population genomic surveys are essential to explore the phenotypic diversity of natural populations. Here we report the whole-genome sequencing and phenotyping of 1,011 Saccharomyces cerevisiae isolates, which together provide an accurate evolutionary picture of the genomic variants that shape the species-wide phenotypic landscape of this yeast. Genomic analyses support a single ‘out-of-China’ origin for this species, followed by several independent domestication events. Although domesticated isolates exhibit high variation in ploidy, aneuploidy and genome content, genome evolution in wild isolates is mainly driven by the accumulation of single nucleotide polymorphisms. A common feature is the extensive loss of heterozygosity, which represents an essential source of inter-individual variation in this mainly asexual species. Most of the single nucleotide polymorphisms, including experimentally identified functional polymorphisms, are present at very low frequencies. The largest numbers of variants identified by genome-wide association are copy-number changes, which have a greater phenotypic effect than do single nucleotide polymorphisms. This resource will guide future population genomics and genotype–phenotype studies in this classic model system. Whole-genome sequencing of 1,011 natural isolates of the yeast Saccharomyces cerevisiae reveals its evolutionary history, including a single out-of-China origin and multiple domestication events, and provides a framework for genotype–phenotype studies in this model organism.

Abstract The process of domestication has variable consequences on genome evolution leading to different phenotypic signatures. Access to the complete genome sequences of a large number of individuals makes it possible to explore the different facets of this domestication process. Here, we sought to explore the genome evolution of the Kluyveromyces lactis yeast species, a well-known species for its involvement in dairy processes but also present in natural environments. Using a combination of short and long-read sequencing strategies, we investigated the genomic variability of 41 Kluyveromyces lactis isolates and found that the overall genetic diversity of this species is very high (π = 2.9 x 10 -2 ) compared to other species such as Saccharomyces cerevisiae (π = 3 x 10 -3 ). However, the domesticated dairy population shows a reduced level of diversity ( π = 7 x 10 -4 ), probably due to a domestication bottleneck. In addition, this entire population is characterized by the introgression of the LAC4 and LAC12 genes, responsible for lactose fermentation and coming from the closely related species, Kluyveromyces marxianus , as previously described. Our results also highlighted that the LAC4/LAC12 gene cluster was acquired through multiple and independent introgression events. Finally, we also identified several genes that could play a role in adaptation to dairy environments through copy number variation. These genes are involved in sugar consumption, flocculation and drug resistance, and may play a role in dairy processes. Overall, our study illustrates contrasting genomic evolution and sheds new light on the impact of domestication processes on it.

Genetic variation in natural populations represents the raw material for phenotypic diversity. Species-wide characterization of genetic variants is crucial to have a deeper insight into the genotype-phenotype relationship. With the advent of new sequencing strategies and more recently the release of long-read sequencing platforms, it is now possible to explore the genetic diversity of any non-model organisms, representing a fundamental resource for biological research. In the frame of population genomic surveys, a first step is evidently to obtain the complete sequence and high quality assembly of a reference genome. Here, we completely sequenced and assembled a reference genome of the non-conventional Dekkera bruxellensis yeast. While this species is a major cause of wine spoilage, it paradoxically contributes to the specific flavor profile of some Belgium beers. In addition, an extreme karyotype variability is observed across natural isolates, highlighting that D. bruxellensis genome is very dynamic. The whole genome of the D. bruxellensis UMY321 isolate was sequenced using a combination of Nanopore long-read and Illumina short-read sequencing data. We generated the most complete and contiguous de novo assembly of D. bruxellensis to date and obtained a first glimpse into the genomic variability within this species by comparing the sequences of several isolates. This genome sequence is therefore of high value for population genomic surveys and represents a reference to study genome dynamic in this yeast species.

Abstract SAR86 is one of the most abundant groups of bacteria in the global surface ocean. However, since its discovery over 30 years ago, it has remained recalcitrant to isolation and many details regarding this group are still unknown. Here we report the cellular characteristics from the first SAR86 isolate brought into culture, Candidatus Magnimaribacter mokuoloeensis strain HIMB1674, and use its closed genome in concert with over 700 environmental genomes to assess the phylogenomic and functional characteristics of this order-level lineage of marine Gammaproteobacteria. The Magnimaribacterales invest significant genomic resources into the capacity for β-oxidation, which is present in most genomes in high gene copy numbers. This cyclical set of reactions is fed by components of cell membranes that includes lipids such as phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, glycolipids, and sulfolipids. In addition to the widespread capacity to degrade the side chain of steroidal compounds via β-oxidation, several SAR86 sublineages also appear able to fully degrade the steroid polycyclic ring structure as well as other aromatic, polycyclic, and heterocyclic molecules. Read recruitment from publicly available metagenomes reveals that the Magnimaribacterales compose up to 6% of the global surface ocean microbial community. Only a subset of genera drive these high relative abundances, with some more globally dominant and others restricted to specific oceanic regions. Candidatus Magnimaribacter mokuoloeensis provides an unprecedented foundation through which to understand this highly abundant yet poorly understood lineage of marine bacteria, and charts a path to bring more representatives of this order into laboratory culture.

Abstract In this study, we sought a means to increase current culture collections of SAR11 marine bacteria by testing the use of seawater cryopreserved with glycerol as an inoculum. In July 2017, raw seawater was collected outside of Kāne‘ohe Bay, Hawai‘i, in the tropical Pacific Ocean. A portion of this sample was diluted in seawater-based growth medium to create 576 × 2 mL dilution cultures containing 5 cells each and incubated for a high-throughput cultivation experiment, while another portion was cryopreserved in 10% glycerol. After ten months, a cryopreserved aliquot of seawater was thawed, diluted in seawater-based growth medium, and distributed to create a second high-throughput cultivation experiment of 480 × 2 mL dilution cultures containing 5 cells each and 94 cultures containing 105 cells each. The raw seawater cultivation experiment resulted in the successful isolation of 54 monocultures and 29 mixed-cultures, while cryopreserved seawater resulted in 59 monocultures and 29 mixed cultures. Combined, the cultures included 51 SAR11 isolates spanning 11 unique 16S rRNA gene amplicon sequence variants (ASVs) from raw seawater inoculum and 74 SAR11 isolates spanning 13 unique ASVs from cryopreserved seawater. A vast majority (115 of 125) of SAR11 isolates from the two HTC experiments were members of SAR11 subclade Ia, though isolates of subclades IIIa and Va were also recovered from cryopreserved seawater and subclade Ib was recovered from both. The four most abundant SAR11 subclade Ia ASVs found in the initial seawater sample used to create both culture experiments were isolated by both approaches. Importance High-throughput dilution culture has proved to be a successful approach to bring some difficult-to-isolate planktonic microorganisms into culture, including the highly abundant SAR11 lineage of marine bacteria. While the long-term preservation of bacterial isolates by freezing in the presence of cryoprotectants such as glycerol has been shown to be an effective method of storing viable cells over long time periods (i.e. years), to our knowledge it had not previously been tested for its efficacy in preserving raw seawater for later use as inoculum for high-throughput cultivation experiments. We found that SAR11 and other abundant marine bacteria could be isolated from seawater that was previously cryopreserved for nearly 10 months, at a rate of culturability similar to that of the same seawater used fresh, immediately after collection. Our findings expand the potential of high-throughput cultivation experiments to include opportunities where immediate isolation experiments are impractical, allow for targeted isolation experiments from specific samples based on analyses such as microbial community structure, and enable cultivation experiments across a wide range of other conditions that would benefit from having source inoculum available over extended periods of time.

Abstract Time-series surveys of microbial communities coupled with contextual measures of the environment provide a useful approach to dissect the factors determining distributions of microorganisms across ecological niches. Here, monthly time-series samples of surface seawater along a transect spanning the nearshore coastal environment within Kāne‘ohe Bay on the island of O‘ahu, Hawai‘i, and the adjacent offshore environment were collected to investigate the diversity and abundance of SAR11 marine bacteria over a two-year time period. Using 16S ribosomal RNA gene amplicon sequencing, the spatiotemporal distributions of major SAR11 subclades and individual amplicon sequence variants (ASVs) were evaluated. On average, 77% of the SAR11 community was compromised of a small number of ASVs (7 of 106 in total), which were ubiquitously distributed across all samples collected from one or both of the end-member environments sampled in this study (coastal or offshore). SAR11 ASVs were more often restricted spatially to coastal or offshore environments (64 of 106 ASVs) than they were shared among coastal, transition, and offshore environments (39 of 106 ASVs). Overall, offshore SAR11 communities contained a higher diversity of SAR11 ASVs than their nearshore counterparts. This study reveals ecological differentiation of SAR11 marine bacteria across a short physiochemical gradient, further increasing our understanding of how SAR11 genetic diversity partitions into distinct ecological units.

ABSTRACT Adaptation to the environment plays an essential role in yeast evolution as a consequence of selective pressures. Lachancea thermotolerans , a yeast related to the fermentative process and one of the current trends in wine technology research, has undergone an anthropization process that has led to a strong differentiation both from a genomic and phenomic perspective. Using whole-genome sequencing, we have investigated the genomic diversity of 145 L. thermotolerans strains, identifying six well-defined groups primarily delineated by their ecological origin and exhibiting high levels of genetic diversity. Anthropized strains showed lower genetic diversity due to the purifying selection imposed by the winemaking environment. Strong evidence of anthropization and adaptation to the wine environment through modification of gene content was also found. Differences in genes involved in the assimilation of alternative carbon and nitrogen sources, such as the MAL1 and DAL5 genes, which confer greater fitness in the winemaking environment, were observed. Additionally, we found that phenotypic traits considered domestication hallmarks are present in anthropized strains. Among these, increased fitness in the presence of ethanol and sulphites, assimilation of non-fermentable carbon sources such as glycerol, and lower levels of residual fructose under fermentative conditions highlight. We hypothesize that lactic acid production by wine-related strains is an anthropization signature consequence of the adaption of early Crabtree-positive yeasts to the fermentative environment. Overall, the results of this work provide valuable insight into the anthropization process in L. thermotolerans and demonstrate how fermentation environments give rise to similar adaptations in different yeast species.

Islands in the tropical Pacific supply elevated nutrients to nearshore waters that enhance phytoplankton biomass and create hotspots of productivity in otherwise nutrient-poor oceans. Despite the importance of these hotspots in supporting nearshore food webs, the fine-scale spatial and temporal variability of phytoplankton enhancement and changes in the underlying phytoplankton communities across nearshore to open ocean systems remain poorly understood. In this study, a combination of flow cytometry, pigment analyses, 16S rRNA gene amplicons, and metagenomic sequencing provide a synoptic view of phytoplankton dynamics over a four-year, near-monthly time-series across coastal Kāneʻohe Bay, Hawaiʻi, spanning from an estuarine Indigenous aquaculture system to the adjacent offshore environment. Through comparisons with measurements taken at Station ALOHA located in the oligotrophic North Pacific Subtropical Gyre, we elucidated a sharp and persistent transition between picocyanobacterial communities, from Synechococcus abundant in the nearshore to Prochlorococcus proliferating in offshore and open ocean waters. In comparison to immediately adjacent offshore waters and the surrounding open ocean, phytoplankton biomass within Kānʻeohe Bay was dramatically elevated. While phytoplankton community composition revealed strong seasonal patterns, phytoplankton biomass positively correlated with wind speeds, rainfall, and wind direction, and not water temperatures. These findings reveal sharp transitions in ocean biogeochemistry and phytoplankton dynamics across estuarine to open ocean waters in the tropical Pacific and provide a foundation for quantifying deviations from baseline conditions due to ongoing climate change.

Genome-wide characterization of genetic variants of a large population of individuals within the same species is essential to have a deeper insight into its evolutionary history as well as the genotype-phenotype relationship. Population genomic surveys have been performed in multiple yeast species, including the two model organisms, Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombe . In this context, we sought to explore an uncharacterized yeast species, Brettanomyces bruxellensis , which is a major cause of wine spoilage but also can contribute to the specific flavor profile of some Belgium beers. We have completely sequenced the genome of 53 B. bruxellensis strains isolated worldwide. The annotation of the reference genome allowed us to define the gene content of this species. As previously suggested, our genomic data clearly highlighted that genetic diversity variation is related to ploidy level, which is variable in the B. bruxellensis species. Genomes are punctuated by multiple loss-of-heterozygosity regions while aneuploidies as well as segmental duplications are uncommon. Interestingly, triploid genomes are more prone to gene copy number variation than diploids. Finally, the pangenome of the species was reconstructed and was found to be small with few accessory genes compared to S. cerevisiae . The pangenome is composed of 4,923 core ORFs and 303 ORFs that are variable within the population. All these results highlight the different trajectories of species evolution and consequently the interest of establishing population genomic surveys in more populations.