Groundbreaking research on the universality and diversity of microorganisms is now challenging the life sciences to upgrade fundamental theories that once seemed untouchable. To fully appreciate the change that the field is now undergoing, one has to place the epochs and foundational principles of Darwin, Mendel, and the modern synthesis in light of the current advances that are enabling a new vision for the central importance of microbiology. Animals and plants are no longer heralded as autonomous entities but rather as biomolecular networks composed of the host plus its associated microbes, i.e., "holobionts." As such, their collective genomes forge a "hologenome," and models of animal and plant biology that do not account for these intergenomic associations are incomplete. Here, we integrate these concepts into historical and contemporary visions of biology and summarize a predictive and refutable framework for their evaluation. Specifically, we present ten principles that clarify and append what these concepts are and are not, explain how they both support and extend existing theory in the life sciences, and discuss their potential ramifications for the multifaceted approaches of zoology and botany. We anticipate that the conceptual and evidence-based foundation provided in this essay will serve as a roadmap for hypothesis-driven, experimentally validated research on holobionts and their hologenomes, thereby catalyzing the continued fusion of biology's subdisciplines. At a time when symbiotic microbes are recognized as fundamental to all aspects of animal and plant biology, the holobiont and hologenome concepts afford a holistic view of biological complexity that is consistent with the generally reductionist approaches of biology.

Parasitoid Wasp Genomes Parasitoid wasps, which prey on and reproduce in host insect species, play important roles in plant herbivore interactions, and may provide valuable tools in the biological control of pest species. The Nasonia Genome Working Group (p. 343 ; see the news story by Pennisi ) presents the genome of three very closely related species: Nasonia vitripennis, N. giraulti , and N. longicornis . The findings document rapid evolution between a host and endosymbiont that can cause nuclear-cytoplasmic incompatibilities that may affect speciation.

ABSTRACT The eubacterial genus Wolbachia comprises one of the most abundant groups of obligate intracellular bacteria, and it has a host range that spans the phyla Arthropoda and Nematoda. Here we developed a multilocus sequence typing (MLST) scheme as a universal genotyping tool for Wolbachia. Internal fragments of five ubiquitous genes ( gatB , coxA , hcpA , fbpA , and ftsZ ) were chosen, and primers that amplified across the major Wolbachia supergroups found in arthropods, as well as other divergent lineages, were designed. A supplemental typing system using the hypervariable regions of the Wolbachia surface protein (WSP) was also developed. Thirty-seven strains belonging to supergroups A, B, D, and F obtained from singly infected hosts were characterized by using MLST and WSP. The number of alleles per MLST locus ranged from 25 to 31, and the average levels of genetic diversity among alleles were 6.5% to 9.2%. A total of 35 unique allelic profiles were found. The results confirmed that there is a high level of recombination in chromosomal genes. MLST was shown to be effective for detecting diversity among strains within a single host species, as well as for identifying closely related strains found in different arthropod hosts. Identical or similar allelic profiles were obtained for strains harbored by different insect species and causing distinct reproductive phenotypes. Strains with similar WSP sequences can have very different MLST allelic profiles and vice versa, indicating the importance of the MLST approach for strain identification. The MLST system provides a universal and unambiguous tool for strain typing, population genetics, and molecular evolutionary studies. The central database for storing and organizing Wolbachia bacterial and host information can be accessed at http://pubmlst.org/wolbachia/ .

The sterile womb paradigm is an enduring premise in biology that human infants are born sterile. Recent studies suggest that infants incorporate an initial microbiome before birth and receive copious supplementation of maternal microbes through birth and breastfeeding. Moreover, evidence for microbial maternal transmission is increasingly widespread across animals. This collective knowledge compels a paradigm shift—one in which maternal transmission of microbes advances from a taxonomically specialized phenomenon to a universal one in animals. It also engenders fresh views on the assembly of the microbiome, its role in animal evolution, and applications to human health and disease.

Phylosymbiosis was recently proposed to describe the eco-evolutionary pattern, whereby the ecological relatedness of host-associated microbial communities parallels the phylogeny of related host species. Here, we test the prevalence of phylosymbiosis and its functional significance under highly controlled conditions by characterizing the microbiota of 24 animal species from four different groups (Peromyscus deer mice, Drosophila flies, mosquitoes, and Nasonia wasps), and we reevaluate the phylosymbiotic relationships of seven species of wild hominids. We demonstrate three key findings. First, intraspecific microbiota variation is consistently less than interspecific microbiota variation, and microbiota-based models predict host species origin with high accuracy across the dataset. Interestingly, the age of host clade divergence positively associates with the degree of microbial community distinguishability between species within the host clades, spanning recent host speciation events (~1 million y ago) to more distantly related host genera (~108 million y ago). Second, topological congruence analyses of each group's complete phylogeny and microbiota dendrogram reveal significant degrees of phylosymbiosis, irrespective of host clade age or taxonomy. Third, consistent with selection on host-microbiota interactions driving phylosymbiosis, there are survival and performance reductions when interspecific microbiota transplants are conducted between closely related and divergent host species pairs. Overall, these findings indicate that the composition and functional effects of an animal's microbial community can be closely allied with host evolution, even across wide-ranging timescales and diverse animal systems reared under controlled conditions.

This paper presents standards and best practices for reporting genome sequences of uncultivated viruses. We present an extension of the Minimum Information about any (x) Sequence (MIxS) standard for reporting sequences of uncultivated virus genomes. Minimum Information about an Uncultivated Virus Genome (MIUViG) standards were developed within the Genomic Standards Consortium framework and include virus origin, genome quality, genome annotation, taxonomic classification, biogeographic distribution and in silico host prediction. Community-wide adoption of MIUViG standards, which complement the Minimum Information about a Single Amplified Genome (MISAG) and Metagenome-Assembled Genome (MIMAG) standards for uncultivated bacteria and archaea, will improve the reporting of uncultivated virus genomes in public databases. In turn, this should enable more robust comparative studies and a systematic exploration of the global virosphere.

Given the complexity of host-microbiota symbioses, scientists and philosophers are asking questions at new biological levels of hierarchical organization-what is a holobiont and hologenome? When should this vocabulary be applied? Are these concepts a null hypothesis for host-microbe systems or limited to a certain spectrum of symbiotic interactions such as host-microbial coevolution? Critical discourse is necessary in this nascent area, but productive discourse requires that skeptics and proponents use the same lexicon. For instance, critiquing the hologenome concept is not synonymous with critiquing coevolution, and arguing that an entity is not a primary unit of selection dismisses the fact that the hologenome concept has always embraced multilevel selection. Holobionts and hologenomes are incontrovertible, multipartite entities that result from ecological, evolutionary, and genetic processes at various levels. They are not restricted to one special process but constitute a wider vocabulary and framework for host biology in light of the microbiome.

The discovery of two genes encoded by prophage WO from Wolbachia that functionally recapitulate and enhance cytoplasmic incompatibility in arthropods is the first inroad in solving the genetic basis of reproductive parasitism. Bacteria from the genus Wolbachia infect many arthropods, including the mosquitoes that are vectors for many viruses that infect humans. Wolbachia infection causes 'cytoplasmic incompatibility', which means that crosses between infected males and uninfected females lead to embryonic death, increasing the proportion of infected females in the population. The molecular basis for this effect has been unknown. Here, Seth Bordenstein and colleagues use comparative and transgenic approaches to identify two genes encoded by the prophage WO from Wolbachia that recapitulate cytoplasmic incompatibility. The discovery of these cytoplasmic incompatibility factors could lead to the genetic manipulation of WO-induced reproductive alterations, and may feed into efforts to control the transmission of arthropod-borne viruses to humans. The genus Wolbachia is an archetype of maternally inherited intracellular bacteria that infect the germline of numerous invertebrate species worldwide. They can selfishly alter arthropod sex ratios and reproductive strategies to increase the proportion of the infected matriline in the population. The most common reproductive manipulation is cytoplasmic incompatibility, which results in embryonic lethality in crosses between infected males and uninfected females. Females infected with the same Wolbachia strain rescue this lethality. Despite more than 40 years of research1 and relevance to symbiont-induced speciation2,3, as well as control of arbovirus vectors4,5,6 and agricultural pests7, the bacterial genes underlying cytoplasmic incompatibility remain unknown. Here we use comparative and transgenic approaches to demonstrate that two differentially transcribed, co-diverging genes in the eukaryotic association module of prophage WO8 from Wolbachia strain wMel recapitulate and enhance cytoplasmic incompatibility. Dual expression in transgenic, uninfected males of Drosophila melanogaster crossed to uninfected females causes embryonic lethality. Each gene additively augments embryonic lethality in crosses between infected males and uninfected females. Lethality associates with embryonic defects that parallel those of wild-type cytoplasmic incompatibility and is notably rescued by wMel-infected embryos in all cases. The discovery of cytoplasmic incompatibility factor genes cifA and cifB pioneers genetic studies of prophage WO-induced reproductive manipulations and informs the continuing use of Wolbachia to control dengue and Zika virus transmission to humans.

Although the gut microbiome influences numerous aspects of organismal fitness, its role in animal evolution and the origin of new species is largely unknown. Here we present evidence that beneficial bacterial communities in the guts of closely related species of the genus Nasonia form species-specific phylosymbiotic assemblages that cause lethality in interspecific hybrids. Bacterial constituents and abundance are irregular in hybrids relative to parental controls, and antibiotic curing of the gut bacteria significantly rescues hybrid survival. Moreover, feeding bacteria to germ-free hybrids reinstates lethality and recapitulates the expression of innate immune genes observed in conventionally reared hybrids. We conclude that in this animal complex, the gut microbiome and host genome represent a coadapted "hologenome" that breaks down during hybridization, promoting hybrid lethality and assisting speciation.