Abstract The indigenous gut microbes have co-evolved with their hosts for millions of years. Those gut microbes play a crucial role in host health and disease. In particular, they protect the host against incursion by exogenous and often harmful microorganisms, a mechanism known as colonization resistance (CR). Yet, identifying the exact microbes responsible for the gut microbiota-mediated CR against a particular pathogen remains a fundamental challenge in microbiome research. Here, we develop a computational method --- Generalized Microbe-Phenotype Triangulation (GMPT) to systematically identify causal microbes that directly influence the microbiota-mediated CR against a pathogen. We systematically validate GMPT using a classical population dynamics model in community ecology, and then apply it to microbiome data from two mouse studies on C. difficile infection. The developed method will not only significantly advance our understanding of CR mechanisms but also pave the way for the rational design of microbiome-based therapies for preventing and treating enteric infections.

The large yellow croaker Larimichthys crocea (L. crocea) is one of the most economically important marine fish in China and East Asian countries. It also exhibits peculiar behavioral and physiological characteristics, especially sensitive to various environmental stresses, such as hypoxia and air exposure. These traits may render L. crocea a good model for investigating the response mechanisms to environmental stress. To understand the molecular and genetic mechanisms underlying the adaptation and response of L. crocea to environmental stress, we sequenced and assembled the genome of L. crocea using a bacterial artificial chromosome and whole-genome shotgun hierarchical strategy. The final genome assembly was 679 Mb, with a contig N50 of 63.11 kb and a scaffold N50 of 1.03 Mb, containing 25,401 protein-coding genes. Gene families underlying adaptive behaviours, such as vision-related crystallins, olfactory receptors, and auditory sense-related genes, were significantly expanded in the genome of L. crocea relative to those of other vertebrates. Transcriptome analyses of the hypoxia-exposed L. crocea brain revealed new aspects of neuro-endocrine-immune/metabolism regulatory networks that may help the fish to avoid cerebral inflammatory injury and maintain energy balance under hypoxia. Proteomics data demonstrate that skin mucus of the air-exposed L. crocea had a complex composition, with an unexpectedly high number of proteins (3,209), suggesting its multiple protective mechanisms involved in antioxidant functions, oxygen transport, immune defence, and osmotic and ionic regulation. Our results provide novel insights into the mechanisms of fish adaptation and response to hypoxia and air exposure.

Abstract Clostridioides difficile infection (CDI) is one of the leading causes of healthcare- and antibiotic-associated diarrhea. While fecal microbiota transplantation (FMT) has emerged as a promising therapy for recurrent CDI, its exact mechanisms of action and long-term safety are not fully understood. Defined consortia of clonal bacterial isolates, known as live biotherapeutic products (LBPs), have been proposed as an alternative therapeutic option. However, the rational design of LBPs remains challenging. Here, we employ a computational pipeline and three independent metagenomic datasets to systematically identify microbial strains that have the potential to inhibit CDI. We first constructed the CDI-related microbial genome catalog, comprising 3,741 non-redundant metagenome-assembled genomes (nrMAGs) at the strain level. We then identified multiple potential protective nrMAGs that can be candidates for the design of microbial consortia targeting CDI, including strains from Dorea formicigenerans , Oscillibacter welbionis , and Faecalibacterium prausnitzii . Importantly, some of these potential protective nrMAGs were found to play an important role in the success of FMT, and the majority of the top protective nrMAGs can be validated by various previously reported findings. Our results demonstrate a computational framework for the rational selection of microbial strains targeting CDI, paving the way for the computational design of microbial consortia against other enteric infections.

Abstract Bacterial diseases are the most important limiting factors for the development of large yellow croaker aquaculture. Probiotics are considered to be a promising alternative approach for the control of bacterial diseases in aquaculture. However, the studies on probiotics used in farmed large yellow croakers were very limited. In this study, we isolated and identified a Lactiplantibacillus plantarum E2 from the intestinal tract of large yellow croaker. L. plantarum E2 showed significant antibacterial activities against several aquaculture pathogenic bacteria, intestinal environmental tolerance, and biosafety. After 7 weeks of feeding, the E2 supplementation of dietary significantly improved the growth and the survival rates of large yellow croakers after Pseudomonas plecoglossicida PQLYC4 challenge. Further analysis showed that E2 effectively improved the intestinal integrity, and increased the intestinal α-amylase, trypsin and lipase activities. Moreover, the E2 supplementation also significantly suppressed the mRNA expression of IL-10 and increased the mRNA expression of IL-1β, IL-12α, IL- 17D, IFN-γ, and TNF-α-R. Gut microbiota analysis showed that E2 significantly affected gut microbial community composition by decreasing the relative abundance of Sphingomonas and increasing the relative abundance of Lactobacillus and Pseudomonas. Finally, E2 could improve resistance of large yellow croaker against P. plecoglossicida PQLYC4 infection. Therefore, our findings showed that L. plantarum E2 has potential application as a probiotic in large yellow croaker, which may provide a new strategy of preventing and controlling bacterial diseases in this species. Highlights Lactiplantibacillus plantarum E2 showed significant antibacterial activities against several aquaculture pathogenic bacteria, intestinal environmental tolerance, and biosafety. Lactiplantibacillus plantarum E2 supplementation improved growth rates, and intestinal health of large yellow croaker. Lactiplantibacillus plantarum E2 increased the abundance of potential probiotics in the intestine tract of large yellow croaker.

Abstract Background Liver tumor remains an important cause of cancer-related death. Nanosecond pulsed electric fields (nsPEFs) are advantageous in the treatment of melanoma and pancreatic cancer, but their therapeutic application on liver tumors need to be further studied. Methods Hep3B cells were treated with nsPEFs. The biological behaviors of cells were detected by Cell Counting Kit-8, 5-ethynyl-20-deoxyuridine, and transmission electron microscopy (TEM) assays. In vivo , rabbit VX2 liver tumor models were ablated by ultrasound-guided nsPEFs and radiofrequency ablation (RFA). Contrast-enhanced ultrasound (CEUS) was used to evaluate the ablation effect. HE staining and Masson staining were used to evaluate the tissue morphology after ablation. Immunohistochemistry was performed to determine the expression of Ki67, proliferating cell nuclear antigen, and α-smooth muscle actin at different time points after ablation. Results The cell viability of Hep3B cells was continuously lower than that of the control group within 3 days after pulse treatment. The proliferation of Hep3B cells was significantly affected by nsPEFs. TEM showed that Hep3B cells underwent significant morphological changes after pulse treatment. In vivo , CEUS imaging showed that nsPEFs could completely ablate model rabbit VX2 liver tumors. After nsPEFs ablation, the area of tumor fibrosis and the expression of Ki67, proliferating cell nuclear antigen, and α-smooth muscle actin were decreased. However, after RFA, rabbit VX2 liver tumor tissue showed complete necrosis, but the expression of PCNA and α-smooth muscle actin did not decrease compared to the tumor group. Conclusions nsPEFs can induce Hep3B cells apoptosis and ablate rabbit VX2 liver tumors in a non-thermal manner versus RFA. The ultrasound contrast agent can monitor immediate effect of nsPEF ablation. This study provides a basis for the clinical study of nsPEFs ablation of liver cancer.