Abstract Our view of genome size in Archaea and Bacteria has remained skewed as the data used to paint its picture has been dominated by genomes of microorganisms that can be cultivated under laboratory settings. However, the continuous effort to catalog the genetic make-up of Earth’s microbiomes specifically propelled by recent extensive work on uncultivated microorganisms, provides a unique opportunity to revise our perspective on genome size distribution. Capitalizing on a recently released extensive catalog of tens of thousands of metagenome-assembled genomes, we provide a comprehensive overview of genome size distributions. We observe that the known phylogenetic diversity of environmental microorganisms possesses significantly smaller genomes than the collection of laboratory isolated microorganisms. Aquatic microorganisms average 3.1 Mb, host-associated microbial genomes average 3.0 Mb, terrestrial microorganism average 3.7 Mb and isolated microorganisms average 4.3 Mb. While the environment where the microorganisms live can certainly be linked to genome size, in some cases, evolutionary phylogenetic history can be a stronger predictor. Moreover, ecological strategies such as auxotrophies have a direct impact on genome size. To better understand the ecological drivers of genome size, we expand on the known and the overlooked factors that influence genome size in different environments, phylogenetic groups and trophic strategies.

Abstract Extremely oligotrophic deep groundwaters host organisms attuned to the low-end of the bioenergetics spectrum. While all domains of life along with viruses are active in this habitat, the evolutionary and ecological constraints on colonization and niche shifts and their consequences for the microbiome convergence are unknown. Here we provide a comparative genome-resolved analysis of the prokaryotic community in disconnected fracture fluids of the Fennoscandian Shield. The data show that the oligotrophic deep groundwaters flowing in similar lithologies offer fixed niches that are occupied by a common deep groundwater core microbiome. Based on this high resolution “multi-omics” enabled understanding of the underlying mechanisms via functional expression analysis, we conclude that deep groundwater ecosystems foster highly diverse, yet cooperative microbial communities adapted to this setting. The fitness of primary energy producers is increased by ecological traits such as aggregate or biofilm formation. This also facilitates reciprocal promiscuous partnerships with diverse and prevalent epi-bionts, alleviating the “tragedy of common goods”. Hence, instead of a lifestyle where microbes predominantly invest in functions related to maintenance and survival, an episodic and cooperative lifestyle ensures the subsistence of the deep groundwater microbiome. We suggest the name “halt and catch fire” for this way of life.

Abstract Recent advances in sequencing and bioinformatics have expanded the tree of life by providing genomes for uncultured environmentally relevant clades, either through metagenome assembled genomes (MAGs) or single-cell assembled genomes (SAGs). While this expanded diversity can provide novel insights about microbial population structure, most tools available for core-genome estimation are overly sensitive to genome completeness. Consequently a major portion of the huge phylogenetic diversity uncovered by environmental genomics approaches remain excluded from such analyses. We present mOTUpan, a novel iterative Bayesian method for computing the core-genome for sets of genomes of highly diverse completeness range. The likelihood for each gene-cluster to belong to core- or accessory-genome is estimated by computing the probability of its presence/absence pattern in the target set of genomes. The core-genome prediction is computationally efficient and can be scaled up to thousands of genomes. It has shown comparable estimates as state-of-the-art tools Roary and PPanGGoLiN for high-quality genomes and outperforms them at lower completeness thresholds. mOTUpan wraps a bootstrapping procedure to estimate the quality of a specific core-genome prediction, as the accuracy of each run will depend on the specific completeness distribution and the number of genomes in the dataset under scrutiny. mOTUpan is implemented in the mOTUlizer software package, and available at github.com/moritzbuck/mOTUlizer, under GPL 3.0 license.

Dissolved organic matter (DOM) is ubiquitous in aquatic ecosystems and fundamental for planetary processes and ecosystem functioning. While the link between microbial community composition and heterotrophic utilization of DOM has been recognized, the full diversity of organic compounds, their bioavailability, degradability and specific influences on the diversity and function of heterotrophs are still not clear. Here we experimentally investigate heterotrophic bacteria in thirty-three freshwater model communities. We identified 34 different heterotrophs growing in ambient lake DOM with taxonomic affiliations matching abundant freshwater bacterioplankton. We further describe 25 different heterotrophs growing in the phycosphere of M. Aeruginosa and 6 heterotrophs growing on the DOM produced by M. Aeruginosa with taxonomic affiliation in accord to phycosphere heterotrophs. In our experiment we observed that heterotrophs that live in the phycosphere remove more dissolved organic carbon than abundant freshwater heterotrophs. Moreover, phycosphere heterotrophs have bigger genomes than abundant lake bacteria. Altogether of the 4224 chemical features that were resolved by LC-MS, only 1229 were seen in all three treatments. None of the common/shared compounds were removed across all the model communities, suggesting contrasting niches of the studied taxa. Altogether our study highlights how each model community, with its unique taxonomic assemblages and organotroph functioning is upkept by the chemodiversity of DOM.

Microbial metabolic capabilities and interactions shape their niche hypervolume that in turn governs their ecological strategies and ecosystem services. In the context of functional redundancy or ecological equivalence, the focus has been on functional guilds in order to bypass the complex challenge faced by niche theory for disentangling the niche hypervolume. However, in some cases this simplification has been at the expense of ignoring the role of individual genotype of each microbe within a functional guild and fails to explain how the diversity within each functional guild is maintained. In this study, we inspect the metabolic profile of metagenome-assembled genomes along the pronounced redox gradient of the water column in an anchialine cave. Bridging neutral theory of biodiversity and biogeography and niche theory, our analysis uses focal metabolic capabilities while also incorporating individuality by looking into background metabolic capabilities of each individual and further includes spatial distribution of microbes to delineate their niche space. Our results emphasize that differences in background metabolic capabilities are critical for furnishing the niche hypervolume of microbes carrying the same focal metabolic capability and refute their ecological equivalence with their spatial distribution further enables niche partitioning among them.

Abstract Hydrocarbons (HCs) are organic compounds composed solely of carbon and hydrogen. They mainly accumulate in oil reservoirs, but aromatic HCs can also have other sources and are widely distributed in the biosphere. Our perception of pathways for biotic degradation of major HCs and genetic information of key enzymes in these bioconversion processes have mainly been based on cultured microbes and are biased by uneven taxonomic representation. Here we use Annotree to provide a gene-centric view of aerobic degradation of aliphatic and aromatic HCs in a total of 23446 genomes from 123 bacterial and 14 archaeal phyla. Apart from the widespread genetic potential for HC degradation in Proteobacteria, Actinobacteriota, Bacteroidota , and Firmicutes , genomes from an additional 18 bacterial and 3 archaeal phyla also hosted key HC degrading enzymes. Among these, such degradation potential has not been previously reported for representatives in the phyla UBA8248, Tectomicrobia, SAR324, and Eremiobacterota. While genomes containing full pathways for complete degradation of HCs were only detected in Proteobacteria and Actinobacteriota , other lineages capable of mediating such key steps could partner with representatives with truncated HC degradation pathways and collaboratively drive the process. Phylogeny reconstruction shows that the reservoir of key aerobic hydrocarbon-degrading enzymes in Bacteria and Archaea undergoes extensive diversification via gene duplication and horizontal gene transfer. This diversification could potentially enable microbes to rapidly adapt to novel and manufactured HCs that reach the environment.

Abstract The crossing of environmental barriers poses major adaptive challenges. Rareness of freshwater-marine transitions separates the bacterial communities, but how these are related to brackish counterparts remains elusive, as are molecular adaptations facilitating cross-biome transitions. Here, we conduct large-scale phylogenomic analysis of freshwater, brackish, and marine quality-filtered metagenome-assembled genomes (11,276 MAGs). Average nucleotide identity analyses showed that bacterial species rarely existed in multiple biomes. Distinct brackish basins co-hosted numerous species despite differences in salinity and geographic distance, the latter having stronger intra-species population structuring effects. We further identified the most recent cross-biome transitions, which were rare, ancient, and most commonly directed towards the brackish biome. Transitions were accompanied by changes in isoelectric point distribution and amino acid composition of inferred proteomes, as well as convergent gains or losses of specific gene functions. Therefore, adaptive challenges entailing proteome reorganization and specific changes in gene content result in species-level separation between aquatic biomes.

Summary Persian Gulf hosting ca. 48% of the world’s oil reserves; has been chronically exposed to natural oil seepage. Oil spill events have been studied over the last decade; however, the influence of chronic oil exposure on the microbial community of the Persian Gulf has remained unknown. We performed genome-resolved comparative analyses of the water and sediment’s prokaryotic community along the Gulf’s pollution continuum (Strait of Hormuz, Asalouyeh and Khark Island). The continuous exposure to trace amounts of pollution has shifted the microbial profile toward the dominance of Oceanospirillales, Flavobacteriales, Alteromonadales , and Rhodobacterales in Asalouyeh and Khark samples. Intrinsic oil-degrading microbes present in low abundances in marine habitats; experience a bloom in response to oil pollution. Comparative analysis of the Persian Gulf samples with 106 oil-polluted marine samples reveals the pollutant’s hydrocarbon content, exposure time and sediment depth as main determinants of microbial response to pollution. High aliphatic content enriches for Oceanospirillales, Alteromonadales and Pseudomonadales whereas, Alteromonadales, Cellvibrionales, Flavobacteriales and Rhodobacterales dominate polyaromatic polluted samples. In sediment samples, Deltaproteobacteria and Gammaproteobacteria had the highest abundance. In chronic exposure and oil spill events, the community composition converges towards higher dominance of oil-degrading constituents while promoting the division of labor for successful bioremediation. Originality-Significance Statement The impact of anthropogenic oil pollution on the microbial community has been studied for oil spill events; while the influence of long-term chronic exposure to oil derivatives on The microbes has remained unknown. Persian Gulf hosts ca. 48% of the world’s oil reserves and has been chronically exposed to natural and accidental oil pollutions. Different pollutant profilesin different locations and the recurrent pollution events; make Persian Gulf an ideal model system to analyse the impact of oil hydrocarbon on the microbial community and the recovery potential of marine ecosystems after pollution. In this study we perform an extensive analysis of thhe Persian Gulf’s water and sediment samples along the water circulation and pollution continuum for the first time. Our results show that these long-standing trace exposure to oil has imposed a consistent selection pressure on the Gulf’s microbes; developing unique and distinct communities along the pollution continuum. Our extensive genome-resolved analysis of the metabolic capabilities of the reconstructed MAGs shows an intricate division of labor among different microbes for oil degradation and determine the major drivers of each degradation step. Intrinsic oil-degrading microbes (e.g., Immundisolibacter, Roseovarius and Lutimaribacter ) bloom along the Persian Gulf’s pollution continuum and function as the main oil degraders. Comparative study of PG datasets with 106 oil-polluted marine samples (water and sediment) reveals similar community compositions in the Persian Gulf’s water and sediment samples to those of oil spill events and suggests hydrocarbon type and exposure time as the main determinants of the microbial response to oil pollution.

Abstract Fungi are essential components in a wide range of ecosystems and while major efforts have been spent on disentangling the diversity and functional roles of fungi in terrestrial environments, our knowledge about aquatic fungi is lagging. To address this knowledge gap, we explored metagenomes from 25 lakes from the arctic and boreal zone and one tropical reservoir with the aim of describing the community structure of fungi and fungi-like organisms (Oomycota). A second objective was to identify possible environmental factors influencing the composition of the fungal communities. Our results show that the main fungal phyla and orders are the same across all the lakes despite the differences in geographic location and prevailing climate. Still, there was differential distribution of more highly resolved taxa across the lakes that accordingly featured distinct communities, possibly caused by differential availability of carbon substrates in the lakes. A more detailed classification of sequences related to the pathogenic Oomycota genus Phytophthora clearly demonstrated that while technologies now exist for sequencing entire microbial communities in great detail, we are still severely limited by insufficient coverage of eukaryotic sequences and genomes in public databases.

Abstract Aquatic microbial communities are an important reservoir of Antibiotic Resistance Genes. However, distribution and diversity of different ARG categories in environmental microbes with different ecological strategies is not yet well studied. Despite the potential exposure of the southern part of the Caspian Sea to the release of antibiotics, little is known about its natural resistome profile. We used a combination of Hidden Markov model (HMM), homology alignment and a deep learning approach for comprehensive screening of the diversity and distribution of ARGs in the Caspian Sea metagenomes at a genome resolution. Detected ARGs were classified into five antibiotic resistance categories including Prevention of access to target (44%), Modification/protection of targets (30%), Direct modification of antibiotics (22%), Stress resistance (3%), and Metal resistance (1%). The 102 detected ARG containing metagenome-assembled genomes of the Caspian Sea were dominated by representatives of Acidimicrobiia, Gammaproteobacteria and Actinobacteria classes. Comparative analysis revealed that the highly abundant, oligotrophic, and genome streamlined representatives of taxa Acidimicrobiia and Actinobacteria modify the antibiotic’s target via mutation to develop antibiotic resistance rather than carrying extra resistance genes. Our results help with understanding how the encoded resistance categories of each genome are aligned with their ecological strategies.