Abstract The alphaproteobacterium Wolbachia pipientis infects arthropod and nematode species worldwide, making it a key target for host biological control. Wolbachia -driven host reproductive manipulations, such as cytoplasmic incompatibility (CI), are credited for catapulting these intracellular bacteria to high frequencies in host populations. Positive, perhaps mutualistic, reproductive manipulations also increase infection frequencies, but are not well understood. Here, we identify molecular and cellular mechanisms by which Wolbachia influences the molecularly distinct processes of GSC self renewal and differentiation. We demonstrate that w Mel infection rescues the fertility of flies lacking the translational regulator mei-P26 , and is sufficient to sustain infertile homozygous mei-P26 -knockdown stocks indefinitely. Cytology revealed that w Mel mitigates the impact of mei-P26 loss through restoring proper pMad, Bam, Sxl, and Orb expression. In OreR files with wild-type fertility, w Mel infection elevates lifetime egg hatch rates. Exploring these phenotypes through dual-RNAseq experiments revealed that w Mel infection rescues and offsets many gene expression changes induced by mei-P26 loss at the mRNA level. Overall, we show that w Mel infection beneficially reinforces host fertility at mRNA, protein, and phenotypic levels, and these mechanisms may promote the emergence of mutualism and the breakdown of host reproductive manipulations. Graphical Abstract Highlights ● The wMel strain of Wolbachia restores fertility in females and males deficient for the essential translational regulator meiotic-P26 ● Mei-P26’s germline maintenance and oocyte cyst differentiation functions are genetically rescued by wMel infection ● Perturbed pMad, Sxl, Bam, and Orb protein expression are mitigated by wMel infection ● wMel infection elevates lifetime egg lay and hatch rates in OreR flies ● Ovary transcriptomes reveal wMel infection restores or offsets changes in gene expression induced by the loss of functional mei-P26 Significance Statement Wolbachia bacterial symbionts are being harnessed as biological control agents through the use of their costly manipulations to host fertility. Here, we reveal that the w Mel strain can have a beneficial impact on fruit fly development in both mutant and wild-type flies. This phenotype is essential to the long-term use of these bacteria for host population control.

Abstract Symbiont specificity, both at the phylotype and strain level, can have profound consequences for host ecology and evolution. However, except for insights from a few model symbiosis systems, the degree of partner fidelity and the influence of host versus environmental factors on symbiont composition are still poorly understood. Nutritional symbioses between invertebrate animals and chemosynthetic bacteria at deep-sea hydrothermal vents are examples of relatively selective associations, where hosts affiliate only with particular, environmentally acquired phylotypes of gammaproteobacterial or campylobacterial symbionts. In hydrothermal vent snails of the sister genera Alviniconcha and Ifremeria this phylotype specificity has been shown to play a role in habitat distribution and partitioning among different holobiont species. However, it is currently unknown if fidelity goes beyond species level associations that might influence genetic structuring, connectivity and habitat adaptation of holobiont populations. We used metagenomic analyses to assess sequence variation in hosts and symbionts and identify correlations with geographic and environmental factors. Our analyses indicate that host populations are not differentiated across a ~800 km gradient, while symbiont populations are clearly structured between vent locations due to a combination of neutral and selective processes. Overall, these results suggest that host individuals flexibly associate with locally adapted strains of their specific symbiont phylotypes, which supports a long-standing but untested paradigm of the benefits of horizontal transmission. Strain flexibility in these snails likely enables host populations to exploit a range of habitat conditions, which might favor wide-spread genetic connectivity and ecological resilience unless physical dispersal barriers are present. Significance Statement Symbiont composition in horizontally transmitted symbioses is influenced by a combination of host genetics, environmental conditions and geographic barriers. Yet the relative importance of these factors and the effects of adaptive versus neutral evolutionary forces on symbiont population structure remain unknown in the majority of marine symbioses. To address these questions, we applied population genomic approaches in four species of deep-sea hydrothermal vent snails that live in obligate association with chemosynthetic bacteria. Our analyses show that host genetics plays a minor role compared to environment for symbiont strain composition despite specificity to symbiont species and corroborate a long-standing hypothesis that vent invertebrates affiliate with locally adapted symbiont strains to cope with the variable habitat conditions characterizing hydrothermal vents.

Symbiotic associations between bacteria and eukaryotes exhibit a range of transmission strategies. Anecdotal observations suggest that symbionts of terrestrial hosts tend to be strictly vertically inherited through host tissues, whereas symbionts of marine hosts tend towards horizontal transmission. Aside from a few cursory investigations, the rates and distributions of transmission modes have not been investigated in depth across associations, despite the consequences for symbiont and host evolution. To address this empirically and estimate the rate of each mode, I compiled data from the literature and for associations between transmission mode and the environment, transmission route, symbiont function, and taxa involved in the symbiosis. Of the 441 analyzed symbioses, 50.1% were strictly vertically transmitted, 34.0% exhibited some form of mixed mode transmission, and 15.9% were strictly horizontally transmitted. Binning symbioses by their environment revealed a significant skew towards vertical transmission on land and horizontal transmission in aquatic environments, with mixed modes abundant in both. However, host and symbiont taxa were not randomly distributed, which prevented the full separation of these variables. Overall, the data suggest that many symbiotic taxa are capable of horizontal transmission and barriers exist that reduce the rate of these events. Thus, both the environment type and host/symbiont taxa combined influence symbiont transmission mode evolution.

The intracellular symbiont Wolbachia pipientis evolved after the divergence of arthropods and nematodes, but it reached high prevalence in many of these taxa through its abilities to infect new hosts and their germlines. Some strains exhibit long-term patterns of co-evolution with their hosts, while other strains are capable of switching hosts. This makes strain selection an important factor in symbiont-based biological control. However, little is known about the ecological and evolutionary interactions that occur when a promiscuous strain colonizes an infected host. Here, we study what occurs when two strains come into contact in host cells following horizontal transmission and infection. We focus on the faithful w Mel strain from Drosophila melanogaster and the promiscuous w Ri strain from Drosophila simulans using an in vitro cell culture system with multiple host cell types and combinatorial infection states. Mixing D . melanogaster cell lines stably infected with w Mel and w Ri revealed that wMel outcompetes w Ri quickly and reproducibly. Furthermore, w Mel was able to competitively exclude w Ri even from minuscule starting quantities, indicating that this is a nearly deterministic outcome, independent of the starting infection frequency. This competitive advantage was not exclusive to wM el’s native D . melanogaster cell background, as w Mel also outgrew w Ri in D . simulans cells. Overall, w Ri is less adept at in vitro growth and survival than w Mel and its in vivo state, revealing differences between the two strains in cellular and humoral regulation. These attributes may underlie the observed low rate of mixed infections in nature and the relatively rare rate of host-switching in most strains. Our in vitro experimental framework for estimating cellular growth dynamics of Wolbachia strains in different host species and cell types provides the first strategy for parameterizing endosymbiont and host cell biology at high resolution. This toolset will be crucial to our application of these bacteria as biological control agents in novel hosts and ecosystems.

The intracellular symbiont

Summary Host-microbe systems are evolutionary niches that produce coevolved biological interactions and are a key component of global health. However, these systems have historically been a difficult field of biological research due to their experimental intractability. Impactful advances in global health will be obtained by leveraging in silico screens to identify genes involved in mediating interspecific interactions. These predictions will progress our understanding of these systems and lay the groundwork for future in vitro and in vivo experiments and bioengineering projects. A driver of host-manipulation and intracellular survival utilized by host-associated microbes is molecular mimicry, a critical mechanism that can occur at any level from DNA to protein structures. We applied protein structure prediction and alignment tools to explore host-associated bacterial structural proteomes for examples of protein structure mimicry. By leveraging the Legionella pneumophila proteome and its many known structural mimics, we developed and validated a screen that can be applied to virtually any host-microbe system to uncover signals of protein mimicry. These mimics represent candidate proteins that mediate host interactions in microbial proteomes. We successfully applied this screen to other microbes with demonstrated effects on global health, Helicobacter pylori and Wolbachia , identifying protein mimic candidates in each proteome. We discuss the roles these candidates may play in important Wolbachia -induced phenotypes and show that Wobachia infection can partially rescue the loss of one of these factors. This work demonstrates how a genome-wide screen for candidates of host-manipulation and intracellular survival offers an opportunity to identify functionally important genes in host-microbe systems.

Specialized transposable elements (TEs), introners, are one of the major drivers of intron gain in diverse eukaryotes. However, the molecular mechanism(s) and evolutionary processes driving introner propagation within and between lineages remain elusive. We analyze 8716 genomes, revealing 1093 introner families in 201 species spanning 1.7 billion years of evolution. Introners are derived from functionally diverse TEs including families of terminal-inverted-repeat DNA TEs, retrotransposons, cryptons, and helitrons as well as mobile elements with unknown molecular mechanisms. We identify eight cases where introners recently transferred between divergent host species, and show that giant viruses that integrate into genomes may facilitate introner transfer across lineages. We propose that intron gain is an inevitable consequence of TE activity in eukaryotic lineages, thereby resolving a key mystery of genome structure evolution.

Abstract The intra-host composition of horizontally transmitted microbial symbionts can vary across host populations due to interactive effects of host genetics, environmental and geographic factors. While adaptation to local habitat conditions can drive geographic subdivision of symbiont strains, it is unknown whether these patterns are universal and how differences in ecological characteristics among host-symbiont associations influence the genomic structure of symbiont populations. To address this question, we sequenced metagenomes of different populations of the deep-sea mussel Bathymodiolus septemdierum , which are common at Western Pacific deep-sea hydrothermal vents and show characteristic patterns of niche partitioning with sympatric gastropod symbioses. Bathymodiolus septemdierum lives in close symbiotic relationship with sulfur-oxidizing chemosynthetic bacteria but supplements its symbiotrophic diet through filter-feeding, enabling it to occupy ecological niches with less exposure to geochemical reductants. Our analyses indicate that symbiont populations associated with B. septemdierum show structuring by geographic location, but that the dominant symbiont strain is uncorrelated with vent site. These patterns are in contrast to co-occurring Alviniconcha and Ifremeria symbioses that exhibit greater symbiont nutritional dependence and occupy habitats with higher spatial variability in environmental conditions. Our results suggest that relative habitat homogeneity combined with sufficient symbiont dispersal and genomic mixing might promote persistence of similar symbiont strains across geographic locations, while mixotrophy might decrease selective pressures on the host to affiliate with locally adapted symbiont strains. Overall, these data contribute to our understanding of the potential mechanisms influencing symbiont population structure across a spectrum of marine microbial symbioses that vary in ecological niche and relative host dependency.

Bacterial symbionts that manipulate the reproduction of their hosts to increase their successful transmission are important factors in invertebrate ecology and evolution. In light of their use as a biological control agent, studying the genomic and phenotypic diversity of reproductive manipulators can improve efforts to control infectious diseases and contribute to our understanding of host-symbiont evolution. Despite the vast genomic and phenotypic diversity of reproductive manipulators, only a handful of Wolbachia strains are used as biological control agents because little is known about the broad scale infection frequencies of these bacteria in nature. Here we develop a data mining approach to quantify the number of arthropod and nematode host species available on the Sequence Read Archive (SRA) that are infected with Wolbachia and other reproductive manipulators such as Rickettsia and Spiroplasma. Across the entire database, we found reproductive manipulators infected 1733 arthropod and 103 nematode samples, representing 121 and 10 species, respectively. We estimated that Wolbachia infects approximately 24% of all arthropod species and 20% of all nematode species. In contrast, we estimated other reproductive manipulators infect 0-8% of arthropod and nematode species. We show that relative Wolbachia density within hosts, titer, is significantly lower than the titer of the other reproductive manipulators. Considering the fitness costs of high titers, low titer may contribute to enabling Wolbachia's high prevalence across hosts species and mitigate impacts on host biology compared with other reproductive manipulator taxa. Our study demonstrates that data mining is a powerful tool for understanding host-symbiont co-evolution and opens an array of previously inaccessible questions for further analysis.

Abstract High-throughput short-read sequencing has taken on a central role in research and diagnostics. Hundreds of different assays exist today to take advantage of Illumina short-read sequencers, the predominant short-read sequencing technology available today. Although other short read sequencing technologies exist, the ubiquity of Illumina sequencers in sequencing core facilities, and the high capital costs of these technologies have limited their adoption. Among a new generation of sequencing technologies, Oxford Nanopore Technologies (ONT) holds a unique position because the ONT MinION, an error-prone long-read sequencer, is associated with little to no capital cost. Here we show that we can make short-read Illumina libraries compatible with the ONT MinION by using the R2C2 method to circularize and amplify the short library molecules. This results in longer DNA molecules containing tandem repeats of the original short library molecules. This longer DNA is ideally suited for the ONT MinION, and after sequencing, the tandem repeats in the resulting raw reads can be converted into high-accuracy consensus reads with similar error rates to that of the Illumina MiSeq. We highlight this capability by producing and benchmarking RNA-seq, ChIP-seq, as well as regular and target-enriched Tn5 libraries. We also explore the use of this approach for rapid evaluation of sequencing library metrics by implementing a real-time analysis workflow.