Despite mounting evidence of their importance in human health and ecosystem functioning, the definition and measurement of 'healthy microbiomes' remain unclear. More advanced knowledge exists on health associations for compounds used or produced by microbes. Environmental microbiome exposures (especially via soils) also help shape, and may supplement, the functional capacity of human microbiomes. Given the synchronous interaction between microbes, their feedstocks, and micro-environments, with functional genes facilitating chemical transformations, our objective was to examine microbiomes in terms of their capacity to process compounds relevant to human health. Here we integrate functional genomics and biochemistry frameworks to derive new quantitative measures of in silico potential for human gut and environmental soil metagenomes to process a panel of major compound classes (e.g., lipids, carbohydrates) and selected biomolecules (e.g., vitamins, short-chain fatty acids) linked to human health. Metagenome functional potential profile data were translated into a universal compound mapping 'landscape' based on bioenergetic van Krevelen mapping of function-level meta-compounds and corresponding functional relative abundances, reflecting imprinted genetic capacity of microbiomes to metabolize an array of different compounds. We show that measures of 'compound processing potential' associated with human health and disease (examining atherosclerotic cardiovascular disease, colorectal cancer, type 2 diabetes and anxious-depressive behavior case studies), and displayed seemingly predictable shifts along gradients of ecological disturbance in plant-soil ecosystems (three case studies). Ecosystem quality explained 60-92 % of variation in soil metagenome compound processing potential measures in a post-mining restoration case study dataset. With growing knowledge of the varying proficiency of environmental microbiota to process human health associated compounds, we might design environmental interventions or nature prescriptions to modulate our exposures, thereby advancing microbiota-oriented approaches to human health. Compound processing potential offers a simplified, integrative approach for applying metagenomics in ongoing efforts to understand and quantify the role of microbiota in environmental- and human-health.

Microbiomes are critical to the health and functioning of humans and ecosystems. Defining 9healthy microbiomes9, however, remains elusive. More advanced knowledge exists on health associations for the compounds used or produced by microbes. Because microbes, their feedstocks and micro-environments interact synchronously, using functional genes to facilitate chemical transformations, this presents an intriguing opportunity to examine microbiomes through their potential to process compounds associated with human health. There is also growing interest in environmental microbiota that might be efficient at processing health-associated compounds because these microbes may readily transfer to humans and environmental interventions could modulate our exposure to them. Here we propose a bioenergetic mapping approach to microbiome assessments that examines the compound processing potential imprinted in human gut and environmental soil metagenomes. From shotgun metagenomics functional profiling, we derive quantitative measures of compound processing potential for human health-associated compound classes (e.g., lipids, carbohydrates) and selected biomolecules of interest (e.g., vitamins, short-chain fatty acids). We mapped microbial functions to compounds using the complexity-reducing van Krevelen bioenergetic mapping framework, based on carbon-hydrogen-oxygen stoichiometry and principal axes that explain variation in microbial distribution and chemical speciation. We found differences in compound processing potential within gut metagenomes comparing health- and disease-associated samples, including atherosclerotic cardiovascular disease, colorectal cancer, type 2 diabetes and anxious-depressive behaviors. Patterns of compound processing potential in soil metagenomes were linked with ecosystem maturity. Assessment of compound processing potential offers a new lens to explore mechanisms of microbiome-mediated human health including connections to health-promoting environmental microbiomes.

Abstract Elasmobranch epidermal microbiomes are species-specific, yet microbial assembly and retainment drivers are mainly unknown. The contribution of host-derived factors in recruiting an associated microbiome is essential for understanding host-microbe interactions. Here, we focus on the physical aspect of the host skin in structuring microbial communities. Each species of elasmobranch exhibits unique denticle morphology, and we investigate whether microbial communities and functional pathways are correlated with the morphological features or follow the phylogeny of the three species. We extracted and sequenced the DNA from the epidermal microbial communities of three captive shark species: Horn ( Heterodontus francisci ), Leopard ( Triakis semifasciata ), and Swell shark ( Cephaloscyllium ventriosum ) and use electron microscopy to measure the dermal denticle features of each species. Our results outline species-specific microbial communities, as microbiome compositions vary at the phyla level; C. ventriosum hosted a higher relative abundance of Pseudomonadota and Bacillota, while H. francisci were associated with a higher prevalence of Euryarchaeota and Aquificae, and Bacteroidota and Crenarchaeota were ubiquitous with T. semifasciata . Functional pathways performed by each species’ respective microbiome were species-specific metabolic. Microbial genes associated with aminosugars and electron-accepting reactions were correlated with the distance between dermal denticles, whereas desiccation stress genes were only present when the dermal denticle overlapped. Microbial genes associated with Pyrimidines, chemotaxis and virulence followed the phylogeny of the sharks. Several microbial genera display associations that resemble host evolutionary lineage, while others had linear relationships with interdenticle distance. Therefore, denticle morphology was a selective influence for some microbes and functions in the microbiome contributing to the phylosymbiosis. Importance Microbial communities form species-specific relationships with vertebrate hosts, but the drivers of these relationships remain an outstanding question. We explore the relationship between a physical feature of the host and the microbial community. A distinguishing feature of the subclass Elasmobranchii (sharks, rays, and skates), is the presence of dermal denticles on the skin. These structures protrude through the epidermis providing increased swimming efficiency for the host and an artificial model skin affect microbial recruitment and establishment of cultured microbes but has not been tested on natural microbiomes. Here, we show some naturally occurring microbial genera and functional attributes were correlated with dermal denticle features, suggesting they are one, but not only contributing factor in microbiome structure on benthic sharks.

Species identification following shark-related incidents is critical for effective incident management and for collecting data to inform shark-bite mitigation strategies. Witness statements are not always reliable, and species identification is often ambiguous or missing. Alternative methods for species identification include morphological assessments of bite marks, analysis of collected teeth at the scene of the incident, and genetic approaches. However, access to appropriate collection media and robust genetic assays have limited the use of genetic technologies. Here, we present a case study that facilitated a unique opportunity to compare the effectiveness of medical gauze readily available in first-aid kits, and forensic-grade swabs in collecting genetic material for shark-species identification. Sterile medical gauze and forensic-grade swabs were used to collect transfer DNA from the bite margins on a bitten surf ski which were compared to a piece of shark tissue embedded along the bite margin. Witness accounts and the characteristics of the bite mark impressions inferred the involvement of a Carcharodon carcharias (white shark). The morphology of a tooth found on the boat that picked up the surf ski, however, suggested it belonged to an Orectolobus spp. (wobbegong). Genetic analysis of DNA transferred from the shark to the surf ski included the application of a broad-target nested PCR assay followed by Sanger sequencing, with white shark contribution to the 'total sample DNA' determined with a species-specific qPCR assay. The results of the genetic analyses were congruent between sampling methods with respect to species identification and the level of activity inferred by the donor-specific DNA contribution. These data also supported the inferences drawn from the bite mark morphology. DNA from the recovered tooth was PCR amplified with a wobbegong-specific primer pair designed for this study to corroborate the tooth's morphological identification. Following the confirmation of gauze used for sampling in the case study event, two additional isolated incidents occurred and were sampled in situ using gauze, as typically found in a first-aid kit, by external personnel. DNA extracted from these gauze samples resulted in the identification of a white shark as the donor of the DNA collected from the bite marks in both instances. This study, involving three incidents separated by time and location, represents the seminal application of gauze as a sampling media after critical human-shark interactions and strongly supports the practical implementation of these methods in the field.

Microbiomes are vast communities of microbes and viruses that populate all natural ecosystems. Viruses have been considered the most variable component of microbiomes, as supported by virome surveys and examples of high genomic mosaicism. However, recent evidence suggests that the human gut virome is remarkably stable compared to other environments. Here we investigate the origin, evolution, and epidemiology of crAssphage, a widespread human gut virus. Through a global collaboratory, we obtained DNA sequences of crAssphage from over one-third of the world's countries, and showed that its phylogeography is locally clustered within countries, cities, and individuals. We also found colinear crAssphage-like genomes in both Old-World and New-World primates, challenging genomic mosaicism and suggesting that the association of crAssphage with primates may be millions of years old. We conclude that crAssphage is a benign globetrotter virus that may have co-evolved with the human lineage and an integral part of the normal human gut virome.

Abstract Bacterioplankton communities play major roles in governing marine productivity and biogeochemical cycling, yet what drives the relative influence of the types of deterministic ecological processes which result in diversity patterns remains unclear. Here we examine how differing deterministic processes (environmental factors and biotic interactions) drive temporal dynamics of bacterioplankton diversity at three different oceanographic time-series locations, spanning 15 degrees of latitude, which are each characterized by different environmental conditions and varying degrees of seasonality. Monthly surface samples, collected over a period of 5.5 years, were analyzed using 16S rRNA amplicon sequencing. The high and mid-latitude sites of Maria Island and Port Hacking were characterized by high and intermediate levels of environmental heterogeneity respectively, with both alpha (local) diversity (72 % and 24 % of total variation) and beta diversity (32 % and 30 %) patterns within bacterioplankton assemblages primarily explained by environmental determinants, including day length, ammonium, and mixed layer depth. In contrast, at North Stradbroke Island, a sub-tropical location where environmental conditions are less seasonally variable, interspecific interactions were of increased importance in structuring bacterioplankton diversity (alpha diversity: 33 %; beta diversity: 26 %) with environment only contributing 11 and 13 % to predicting diversity, respectively. Our results demonstrate that bacterioplankton diversity is the result of both deterministic environmental and biotic processes and that the importance of these different deterministic processes varies, potential in response to environmental heterogeneity. Importance Marine bacterioplankton drives important biological processes, including the cycling of key nutrients or fixing atmospheric carbon. Therefore, to predict future climate scenarios its critical to model these communities accurately. Processes that drive bacterioplankton diversity patterns in the oceans however remain unresolved, with most studies focusing on deterministic environmental drivers, ie temperature or available inorganic nutrients. Biotic deterministic processes including interactions among individuals are also important for structuring diversity patterns, however, this is rarely included to predict bacterioplankton communities. We develop an approach for determining the relative contribution of environmental and potential biotic interactions that structure marine bacterioplankton at three series at different latitudes. Environmental factors best predicted temporal trends in bacterioplankton diversity at the two high latitude time series, while biotic influence was most apparent at the low latitude time series. Our results suggest environmental heterogeneity is an important attribute driving the contribution of varying deterministic influence of bacterioplankton diversity.

The Sharpnose Guitarfish (Glaucostegus granulatus) is one of fifteen critically endangered Rhino Rays which has been exploited as incidental catch, leading to severe population depletions and localized disappearances. Like many chondrichthyan species, there are no species-specific time-series data available for the Sharpnose Guitarfish that can be used to calculate population reduction, partly due to a lack of species-specific reporting as well as limitations in accurate taxonomic identification. We here present the first complete mitochondrial genome and partial nuclear genome of the species and the first detail phylogenetic assessment of the species. We expect that data presented in the current manuscript will aid in accurate species-specific landing and population assessments of the species in the future and will enable conservation efforts to protect and recover remaining populations.