To understand the impact of gut microbes on human health and well-being it is crucial to assess their genetic potential. Here we describe the Illumina-based metagenomic sequencing, assembly and characterization of 3.3 million non-redundant microbial genes, derived from 576.7 gigabases of sequence, from faecal samples of 124 European individuals. The gene set, ∼150 times larger than the human gene complement, contains an overwhelming majority of the prevalent (more frequent) microbial genes of the cohort and probably includes a large proportion of the prevalent human intestinal microbial genes. The genes are largely shared among individuals of the cohort. Over 99% of the genes are bacterial, indicating that the entire cohort harbours between 1,000 and 1,150 prevalent bacterial species and each individual at least 160 such species, which are also largely shared. We define and describe the minimal gut metagenome and the minimal gut bacterial genome in terms of functions present in all individuals and most bacteria, respectively. The human body plays host to an estimated 100 trillion microbial cells, most of them in the gut where they have a profound influence on human physiology and nutrition — and are now regarded as crucial for human life. Gut microbes contribute to the energy harvest from food, and changes of gut microbiome may be associated with bowel diseases or obesity. Now the international MetaHIT (Metagenomics of the Human Intestinal Tract) project has published a gene catalogue of the human gut microbiome derived from 124 healthy, overweight and obese human adults, as well as inflammatory disease patients, from Denmark and Spain. The resulting data provide the first insights into this gene set — which is over 150 times larger than the human gene complement — and show that the genes are largely shared among individuals. Based on the variety of functions encoded by the gene set, it is possible to define both a minimal gut metagenome and a minimal gut bacterial genome. Deep metagenomic sequencing and characterization of the human gut microbiome from healthy and obese individuals, as well as those suffering from inflammatory bowel disease, provide the first insights into this gene set and how much of it is shared among individuals. The minimal gut metagenome as well as the minimal gut bacterial genome is also described.

In recent years, several associations between common chronic human disorders and altered gut microbiome composition and function have been reported. In most of these reports, treatment regimens were not controlled for and conclusions could thus be confounded by the effects of various drugs on the microbiota, which may obscure microbial causes, protective factors or diagnostically relevant signals. Our study addresses disease and drug signatures in the human gut microbiome of type 2 diabetes mellitus (T2D). Two previous quantitative gut metagenomics studies of T2D patients that were unstratified for treatment yielded divergent conclusions regarding its associated gut microbial dysbiosis. Here we show, using 784 available human gut metagenomes, how antidiabetic medication confounds these results, and analyse in detail the effects of the most widely used antidiabetic drug metformin. We provide support for microbial mediation of the therapeutic effects of metformin through short-chain fatty acid production, as well as for potential microbiota-mediated mechanisms behind known intestinal adverse effects in the form of a relative increase in abundance of Escherichia species. Controlling for metformin treatment, we report a unified signature of gut microbiome shifts in T2D with a depletion of butyrate-producing taxa. These in turn cause functional microbiome shifts, in part alleviated by metformin-induced changes. Overall, the present study emphasizes the need to disentangle gut microbiota signatures of specific human diseases from those of medication.

The lactic acid bacterium Streptococcus thermophilus is widely used for the manufacture of yogurt and cheese. This dairy species of major economic importance is phylogenetically close to pathogenic streptococci, raising the possibility that it has a potential for virulence. Here we report the genome sequences of two yogurt strains of S. thermophilus. We found a striking level of gene decay (10% pseudogenes) in both microorganisms. Many genes involved in carbon utilization are nonfunctional, in line with the paucity of carbon sources in milk. Notably, most streptococcal virulence-related genes that are not involved in basic cellular processes are either inactivated or absent in the dairy streptococcus. Adaptation to the constant milk environment appears to have resulted in the stabilization of the genome structure. We conclude that S. thermophilus has evolved mainly through loss-of-function events that remarkably mirror the environment of the dairy niche resulting in a severely diminished pathogenic potential.

Nitrous oxide emitted by soils can be produced either by denitrification in anoxic conditions or by nitrification in presence of O2. The relative importance of the two processes, particularly under varied partial pressures of O2, is not always known. This paper focuses on the influence of O2 concentration on N2O production by nitrification and denitrification in an arable Orthic Luvisol. Soil aggregates (2–3 mm size), water unsaturated, received 116 mg N kg−1 as ammonium sulphate labelled with 15N and were incubated during 14 days at different O2 partial pressures: 0, 0.35, 0.76, 1.5, 4.3 and 20.4 kPa. A 15N tracing technique was used to quantify nitrification and denitrification rates. 15N2O and 15N2 were measured. Oxygen pressure appeared to strongly influence both nitrification and denitrification rates and also N2O emissions. Nitrification rates were reduced by a factor of 6–9 when O2 decreased from 20.4 to 0.35 kPa. They were highly correlated with O2 consumption rates. Denitrification mainly occurred in complete anoxic conditions. The proportion of N2O emitted by denitrification was estimated by two independent methods: one based on 15N tracing using isotope composition of NH4, NO3 and N2O, the other based on the measurement of the 15N2O:15N2 ratio. The two methods gave close results. The highest N2O emissions were obtained under complete anoxic conditions and were due to denitrification. However, N2O emissions almost as important were obtained at day 14 with 1.5 kPa O2 pressure, and they were due to nitrification. Nitrification was the main source of N2O at O2 concentrations greater than 0.35 kPa. The amounts of N2O-N emitted by nitrification were linearly related to the amounts of N nitrified, but the slope of the regression was highly dependent on O2 concentration: it varied from 0.16 to 1.48% when O2 concentration was reduced from 20.4 to 0.76 kPa. Emissions of N2O by nitrification may then be quite significant if nitrification occurs at a reduced O2 concentration.

While the extent and impact of horizontal transfers in prokaryotes are widely acknowledged, their importance to the eukaryotic kingdom is unclear and thought by many to be anecdotal. Here we report multiple recent transfers of a huge genomic island between Penicillium spp. found in the food environment. Sequencing of the two leading filamentous fungi used in cheese making, P. roqueforti and P. camemberti, and comparison with the penicillin producer P. rubens reveals a 575 kb long genomic island in P. roqueforti--called Wallaby--present as identical fragments at non-homologous loci in P. camemberti and P. rubens. Wallaby is detected in Penicillium collections exclusively in strains from food environments. Wallaby encompasses about 250 predicted genes, some of which are probably involved in competition with microorganisms. The occurrence of multiple recent eukaryotic transfers in the food environment provides strong evidence for the importance of this understudied and probably underestimated phenomenon in eukaryotes.

ABSTRACT Halophilic and halotolerant bacteria are generally assumed to live in natural environments, although they may also be found in foods such as cheese and seafood. These salt-loving bacteria have only been occasionally characterized in cheese, and studies on their ecological and technological functions are still scarce. We therefore selected 13 traditional cheeses in order to systematically characterize these microorganisms in their rinds via cultural, genomic and metagenomic methods. Using different salt-based media, we identified 35 strains with unique 16S rRNA and rpoB gene sequences, whose whole genome was sequenced. The most frequently isolated species are the halotolerant Gram-positive bacteria Brevibacterium aurantiacum (6) and Staphylococcus equorum (3), which are also frequently added as starters. Their genomic analyses confirm the high genetic diversity of B. aurantiacum and reveal the presence of two subspecies in S. equorum , as well as the genetic proximity of several cheese strains to bovine isolates. Additionally, we isolated 15 Gram-negative strains, potentially defining ten new species of halophilic cheese bacteria, in particular for the genera Halomonas and Psychrobacter . The use of these genomes as a reference to complement those existing in the databases allowed us to study the representativeness of 66 species of halophilic and halotolerant bacteria in 74 cheese rind metagenomes. The Gram-negative species are particularly abundant in a wide variety of cheeses with high moisture, such as washed-rind cheeses. Finally, analyses of co-occurrences reveal assemblies, including the frequent coexistence of several species of the same genus, forming moderately complex ecosystems with functional redundancies that probably ensure stable cheese development. IMPORTANCE Salt is commonly added to food to avoid the growth of pathogens by lowering water activity, resulting in profound changes in the medium that lead to the development of particular ecosystems dominated by halophilic and halotolerant bacteria, communities that probably originate in the natural environment. In order to explore these communities that have been poorly studied in food up until now, we developed a combined approach that includes cultures, genomics and metagenomics to deconstruct these ecosystems in cheese rinds. This approach allowed us to isolate 26 different species, ten of which belong to still undescribed species that could be used as references to promote advances in functional studies of this particular world. The metagenomic scan of 74 cheese rind samples for the assembly of 66 halophilic and halotolerant species showed that these bacteria are widely distributed and form moderately complex ecosystems where related species coexist and probably jointly contribute to safe and efficient cheese development.