Abstract Freshwater ecosystems are inhabited by members of cosmopolitan bacterioplankton lineages despite the disconnected nature of these habitats. The lineages are delineated based on >97% 16S rRNA gene sequence similarity, but their intra-lineage microdiversity and phylogeography, which are key to understanding the eco-evolutional processes behind their ubiquity, remain unresolved. Here, we applied long-read amplicon sequencing targeting nearly full-length 16S rRNA genes and the adjacent ribosomal internal transcribed spacer sequences to reveal the intra-lineage diversities of pelagic bacterioplankton assemblages in 11 deep freshwater lakes in Japan and Europe. Our single nucleotide-resolved analysis, which was validated using shotgun metagenomic sequencing, uncovered 7–101 amplicon sequence variants for each of the 11 predominant bacterial lineages and demonstrated sympatric, allopatric, and temporal microdiversities that could not be resolved through conventional approaches. Clusters of samples with similar intra-lineage population compositions were identified, which consistently supported genetic isolation between Japan and Europe. At a regional scale (up to hundreds of kilometers), dispersal between lakes was unlikely to be a limiting factor, and environmental factors were potential determinants of population composition. The extent of microdiversification varied among lineages, suggesting that highly diversified lineages (e.g., Iluma-A2 and acI-A1) achieve their ubiquity by containing a consortium of genotypes specific to each habitat, while less diversified lineages (e.g., CL500-11) may be ubiquitous due to a small number of widespread genotypes. The lowest extent of intra-lineage diversification was observed among the dominant hypolimnion-specific lineage (CL500-11), suggesting that their dispersal among lakes is not limited despite the hypolimnion being a more isolated habitat than the epilimnion. Our novel approach complemented the limited resolution of short-read amplicon sequencing and limited sensitivity of the metagenome assembly-based approach, and highlighted the complex ecological processes underlying the ubiquity of freshwater bacterioplankton lineages.

Abstract Reconstruction of metagenome-assembled genomes (MAGs) has become a fundamental approach in microbial ecology. However, an MAG is hardly complete and overlooks genomic microdiversity because metagenomic assembly fails to resolve microvariants among closely related genotypes. Aiming at understanding the universal factors that drive or constrain prokaryotic genome diversification, we performed an ecosystem-wide high-resolution metagenomic exploration of microdiversity by combining spatiotemporal (2 depths × 12 samples) sampling from a pelagic freshwater system, MAG reconstruction using long- and short-read metagenomic sequences, and profiling of single nucleotide variants (SNVs) and structural variants (SVs) through mapping of short and long reads to the MAGs, respectively. We reconstructed 575 MAGs, including 29 circular assemblies, providing high-quality reference genomes of freshwater bacterioplankton. Read mapping against these MAGs identified 100–101,781 SNVs/Mb, 0–305 insertions, 0–467 deletions, 0–41 duplications, and 0–6 inversions for each MAG. Nonsynonymous SNVs were accumulated in genes potentially involved in cell surface structural modification to evade phage recognition. Most (80.2%) deletions overlapped with a gene-coding region, and genes of prokaryotic defense systems were most frequently (>8% of the genes) involved in a deletion. Some such deletions exhibited a monthly shift in their allele frequency, suggesting a rapid turnover of genotypes in response to phage predation. MAGs with extremely low microdiversity were either rare or opportunistic bloomers, suggesting that population persistency is key to their genomic diversification. The results lead to the conclusion that prokaryotic genomic diversification is primarily driven by viral load and constrained by a population bottleneck.

Metagenomics has dramatically expanded the known virosphere, but freshwater viral diversity and their ecological interaction with hosts remain poorly understood. Here, we conducted a metagenomic exploration of planktonic dsDNA prokaryotic viruses by sequencing both virion (<0.22 μm) and cellular (0.22–5.0 μm) fractions collected spatiotemporally from a deep freshwater lake (Lake Biwa, Japan). This simultaneously reconstructed 183 complete (i.e., circular) viral genomes and 57 bacterioplankton metagenome-assembled genomes. Analysis of metagenomic read coverage revealed vertical partitioning of the viral community analogous to the vertically stratified bacterioplankton community. The hypolimnetic community was generally stable during stratification, but occasionally shifted abruptly, presumably due to lysogenic induction. Genes involved in assimilatory sulfate reduction were encoded in 20 (10.9%) viral genomes, including those of dominant viruses, and may aid viral propagation in sulfur-limited freshwater systems. Hosts were predicted for 40 (21.9%) viral genomes, encompassing 10 phyla (or classes of Proteobacteria) including ubiquitous freshwater bacterioplankton lineages (e.g., Ca. Fonsibacter and Ca. Nitrosoarchaeum). Comparison with viral genomes derived from published metagenomes revealed viral phylogeographic connectivity in geographically isolated habitats. Notably, analogous to their hosts, actinobacterial viruses were among the most diverse, ubiquitous, and abundant viral groups in freshwater systems, with potential high lytic activity in surface waters.

Freshwater bacterioplankton in the oxygenated hypolimnion are reportedly dominated by specific members that are distinct from those in the epilimnion. However, no consensus exists regarding the ubiquity and abundance of these bacterioplankton, which is necessary to evaluate their ecological importance. The present study investigated the bacterioplankton community in the oxygenated hypolimnia of 10 deep freshwater lakes. Despite the broad geochemical characteristics of the lakes, 16S rRNA gene sequencing demonstrated that many predominant lineages in the hypolimnion were shared by several lakes and consisted of members occurring in the entire water layer and members specific to the hypolimnion. Catalyzed reporter deposition fluorescence in situ hybridization (CARD-FISH) revealed that representative hypolimnion-specific lineages, CL500-11 (Chloroflexi), CL500-3, CL500-37, CL500-15 (Planctomycetes), and the MGI group (Thaumarchaeota), together accounted for 1.5-32.9% of all bacterioplankton in the hypolimnion of the lakes. Furthermore, an analysis of micro-diversification based on single-nucleotide variation in the partial 16S rRNA gene sequence (oligotyping) suggested the presence of hypolimnion-specific ecotypes among the lineages occurring in the entire water layer (e.g., acI and Limnohabitans). Collectively, these results demonstrate the uniqueness, ubiquity, and quantitative significance of bacterioplankton in the oxygenated hypolimnion, motivating future studies to focus on their eco-physiological characteristics.

Background: Representatives of the phylum Chloroflexi, though reportedly highly abundant (up to 30% of total prokaryotes) in the extensive deep water habitats of both marine (SAR202) and freshwater (CL500-11), remain uncultivated and uncharacterized. There are few metagenomic studies on marine Chloroflexi representatives, while the pelagic freshwater Chloroflexi community is largely unknown except for a single metagenome-assembled genome of CL500-11. Results: Here we provide the first extensive examination of the community composition of this cosmopolitan phylum in a range of pelagic habitats (176 datasets) and highlight the impact of salinity and depth on their phylogenomic composition. Reconstructed genomes (53 in total) provide a perspective on the phylogeny, metabolism and distribution of three novel classes and two family-level taxa within the phylum Chloroflexi. We unraveled a remarkable genomic diversity of pelagic freshwater Chloroflexi representatives that thrive not only in the hypolimnion as previously suspected, but also in the epilimnion. Our results suggest that the lake hypolimnion provides a globally stable habitat reflected in lower species diversity among hypolimnion specific CL500-11 and TK10 clusters in distantly related lakes compared to a higher species diversity of the epilimnion specific SL56 cluster. Cell volume analyses show that the CL500-11 are amongst the largest prokaryotic cells in the water column of deep lakes and with a biomass:abundance ratio of two they significantly contribute to the deep lake carbon flow. Metabolic insights indicate participation of JG30-KF-CM66 representatives in the global cobalamin production via cobinamide to cobalamin salvage pathway. Conclusions: Extending phylogenomic comparisons to brackish and marine habitats suggests salinity as the major influencer of the community composition of the deep-dwelling Chloroflexi in marine (SAR202) and freshwater (CL500-11) habitats as both counterparts thrive in intermediate brackish salinity however, freshwater habitats harbor the most phylogenetically diverse community of pelagic Chloroflexi representatives that reside both in epi- and hypolimnion.

DNA methylation plays important roles in prokaryotes, such as in defense mechanisms against phage infection, and the corresponding genomic landscapes-prokaryotic epigenomes-have recently begun to be disclosed. However, our knowledge of prokaryote methylation systems has been severely limited to those of culturable prokaryotes, whereas environmental communities are in fact dominated by uncultured members that must harbor much more diverse DNA methyltransferases. Here, using single-molecule real-time and circular consensus sequencing techniques, we revealed the 'metaepigenomes' of an environmental prokaryotic community in the largest lake in Japan, Lake Biwa. A total of 19 draft genomes from phylogenetically diverse groups, most of which are yet to be cultured, were successfully reconstructed. The analysis of DNA chemical modifications identified 29 methylated motifs in those genomes, among which 14 motifs were novel. Furthermore, we searched for the methyltransferase genes responsible for the methylation of the detected novel motifs and confirmed their catalytic specificities via transformation experiments involving artificially synthesized genes. Finally, we found that genomes without DNA methylation tended to exhibit higher phage infection levels than those with methylation. In summary, this study proves that metaepigenomics is a powerful approach for revealing the vast unexplored variety of prokaryotic DNA methylation systems in nature.

Abstract Multifunctional redundancy, the extent of loss in multiple ecosystem functions with decreasing biodiversity, stands as a crucial index for evaluating ecosystem resilience to environmental changes. We aimed to refine a marker-gene-based methodology for quantifying multifunctional redundancy in prokaryotic communities. Using PICRUSt2, we predicted KEGG orthologs (KOs) for each Amplicon Sequence Variant (ASV), assessed community-wide KO richness, and validated predictions against experimentally quantified phenotypic multifunctionality. Additionally, we introduced a refined regression on ASV richness–KO richness curves, providing a reliable estimate of the power-law exponent within computational time constraints, serving as the multifunctional redundancy index. Incorporating various non-random extinction scenarios alongside a random one allowed us to quantify estimate variations between scenarios, providing conservative estimates of multifunctional redundancy. Applied to Lake Biwa and four of its inlet rivers, the refined methodology unveiled spatio-temporal variations in multifunctional redundancy. Our analysis demonstrated lower redundancy in Lake Biwa compared to rivers, aiding in prioritizing conservation targets and inferring distinct community assembly processes. Future directions include a deeper exploration of KO composition information for detailed multifunctionality quantification and the refinement of extinction scenarios. This study demonstrates the promising integration of bioinformatic functional prediction and modeling biodiversity loss, offering a valuable tool for effective ecosystem management.