Abstract The gut microbiome (GM) is shaped through infancy and plays a major role in determining susceptibility to chronic inflammatory diseases later in life. Bacteriophages (phages) are known to modulate bacterial populations in numerous ecosystems, including the gut. However, virome data is difficult to analyse because it mostly consists of unknown viruses, i.e. viral dark matter. Here, we manually resolved the viral dark matter in the largest human virome study published to date. Fecal viromes from a cohort of 647 infants at 1 year of age were deeply sequenced and analysed through successive rounds of clustering and curation. We uncovered more than ten thousand viral species distributed over 248 viral families falling within 17 viral order-level clades. Most of the defined viral families and orders were novel and belonged to the Caudoviricetes viral class. Bacterial hosts were predicted for 79% of the viral species using CRISPR spacers, including those in metagenomes from the same fecal samples. While Bacteroides -infecting Crassphages were present, novel viral families were more predominant, including phages infecting Clostridiales and Bifidobacterium . Phage lifestyles were determined for more than three thousand caudoviral species. Lifestyles were homogeneous at the family level for 149 Caudoviricetes families, including 32 families that were found to be virulent, while 117 were temperate. Virulent phage families were more abundant but temperate ones were more diverse and widespread. Together, the viral families found in this study represent a major expansion of existing bacteriophage taxonomy.

Abstract Background Bacteriophages are the most abundant biological entity on the planet, and are key components of any ecosystem they are present in. The gut virome is increasingly being implicated in disease states although these studies largely focus on lytic phages in adults. Here we identify prophages from a large infant cohort and investigate their potential functions. Results We identified 10645 vOTUs from 662 metagenomes. No core virome was found: the most prevalent vOTU was identified in 70% of the samples. The most abundant and prevalent group of phages are a novel group closely related to Bacteroides phage Hanky p00’. Functional annotation of this group revealed the presence of genes in the dDTP-L-rhamnose pathway, possibly involved in the production of capsular polysaccharides. We also found an abundance of diversity generating retroelements in the phages. Additionally, paired virome data allowed us to show that the majority of prophages are induced in at least one sample and that this is not affected by the use of antibiotics in the 4 weeks prior to sampling. Conclusions Prophages in the infant gut are largely unique to the individual and not shared. Most of them appear to be induced and so may be key drivers in shaping the bacterial microbiome. The most abundant group of phages are novel, and possess elements that may allow them to maintain differentially susceptible subpopulations of their host bacterium; whilst also containing diversity generating retroelements that could expand their host range. Prophages are important components of the infant gut that may have far reaching influences on the composition and function of the microbiome.

Agriculture is a major source of nutrient pollution, posing a threat to the earth system functioning. Factors determining the nutrient use efficiency of plant-soil systems need to be identified to develop strategies to reduce nutrient losses while ensuring crop productivity. The potential of soil biota to tighten nutrient cycles by improving plant nutrition and reducing soil nutrient losses is still poorly understood. We manipulated soil biota communities in outdoor lysimeters, planted maize, continuously collected leachates, and measured N2 O- and N2 -gas emissions after a fertilization pulse to test whether differences in soil biota communities affected nutrient recycling and N losses. Lysimeters with strongly simplified soil biota communities showed reduced crop N (-20%) and P (-58%) uptake, strongly increased N leaching losses (+65%), and gaseous emissions (+97%) of N2 O and N2 . Soil metagenomic analyses revealed differences in the abundance of genes responsible for nutrient uptake, nitrate reduction, and denitrification that helped explain the observed nutrient losses. Soil biota are major drivers of nutrient cycling and reductions in the diversity or abundance of certain groups (e.g. through land-use intensification) can disrupt nutrient cycling, reduce agricultural productivity and nutrient use efficiency, and exacerbate environmental pollution and global warming.

Abstract Metagenomic sequencing has provided great advantages in the characterisation of microbiomes, but currently available analysis tools lack the ability to combine subspecies-level taxonomic resolution and accurate abundance estimation with functional profiling of assembled genomes. To define the microbiome and its associations with human health, improved tools are needed to enable comprehensive understanding of the microbial composition and elucidation of the phylogenetic and functional relationships between the microbes. Here, we present MAGinator, a freely available tool, tailored for profiling of shotgun metagenomics datasets. MAGinator provides de novo identification of subspecies-level microbes and accurate abundance estimates of metagenome-assembled genomes (MAGs). MAGinator utilises the information from both gene- and contig-based methods yielding insight into both taxonomic profiles and the origin of genes and genetic content, used for inference of functional content of each sample by host organism. Additionally, MAGinator facilitates the reconstruction of phylogenetic relationships between the MAGs, providing a framework to identify clade-level differences.

Hamadryas baboon is a highly social primate that lives in complex multilevel societies exhibiting a wide range of group behaviors akin to humans. Here, we report the comprehensive 16s rRNA gene analyses of group-living baboon microbiota across different body sites. Additionally, we compared the baboon and human microbiome of the oral cavity, gut and vagina. Our analyses show that the baboon microbiome is distinct from the human and baboon cohabitants share similar microbial profiles in multiple body sites. The oral, gut and vagina shared more bacterial ASVs in group-living baboons than in humans. The shared ASVs in baboons had significantly positive correlations, suggesting a potential bacterial exchange throughout the body. No significant differences in baboon gut microbiome composition within the maternity line and between maternity lines were detected, suggesting that the offspring acquire their gut microbiota primarily through bacterial exchange among cohabitants. Besides, Lactobacillus was not so predominant in baboon vagina as in the human vagina but was the most abundant genus in baboon gut. These data and findings can form the basis of future microbiome studies in baboons and be used as a reference to research where the microbiome is expected to impact human modeling with baboons.

Abstract Antibiotic-resistant pathogens constitute an escalating public health concern. Hence a better understanding of the underlying processes responsible for this expansion is urgently needed. Co-selection of heavy metals/biocides and antibiotic resistance genes (ARGs) has been suggested as one potential mechanism promoting the proliferation of antimicrobial resistance (AMR). This paper aims to elucidate this interplay and exploit differences in antibiotic usage to infer patterns of co-selection by the non-antibiotic factors metals and biocides in the context of pig farming. We examined 278 gut metagenomes from pigs with continuous antibiotic exposure, only at weaning and at no exposure. Metals as growth promoters and biocides as disinfectants are currently used with little restrictions in stock farming. The pigs under continuous antibiotic exposure displayed the highest co-occurrence of ARGs and other genetic elements while the pigs under limited use of antibiotics still showed abundant co-occurrences. Pathogens belonging to Enterobacteriaceae displayed increased co-occurrence phenomena, suggesting that this maintenance is not a random selection process from a mobilized pool but pertains to specific phylogenetic clades. These results suggest that metals and biocides displayed strong selective pressures on ARGs exerted by intensive farming, regardless of the current use of antibiotics. Highlights A comprehensive gut microbiome metagenomics analysis of 278 pigs Co-selection phenomena were investigated via co-occurrence patterns as a proxy Twenty-seven types of co-occurrences involving 131 resistance genes were detected Regardless of use of antibiotics, AMR can be maintained by co-occurrence with MRGs/BRGs Maintenance of AMR is not a random selection process but pertains to specific phylogenetic clades

Abstract Even in the absence of antibiotic exposure, the gut microbiome of infants has been shown to contain numerous antibiotic resistance genes (ARGs), but the mechanism for this remains unclear. In environmental bacteria, the selective advantage of ARGs can be increased through co-localization with genes such as other ARGs, biocide resistance genes, metal resistance genes, and virulence genes. However, this phenomenon is unknown from the human gut microbiome during early life despite frequent exposures to biocides and metals from an early age. Here, we conducted a comprehensive analysis of genetic co-localization of resistance genes in a cohort of 662 Danish children and examined the association between such co-localization and environmental factors as well as gut microbial maturation. Our study showed that co-localization of ARGs with other resistance and virulence genes is common in the early gut microbiome and is associated with gut bacteria that are indicative of low maturity, especially E. coli . The most common forms of co-localization involved tetracycline and fluoroquinolone resistance genes located near other ARGs, and, on plasmids, co-localization predominantly occurred in the form of class 1 integrons. Antibiotic use caused a short-term increase in mobile ARGs, while non-mobile ARGs showed no significant change. Finally, we found that a high abundance of virulence genes was associated with low gut microbial maturity and that virulence genes showed even higher potential for mobility than ARGs. Our study highlights important constraints that need to be considered when developing strategies to combat ARG dissemination.

Abstract Motivation Metagenomic sequencing has provided great advantages in the characterization of microbiomes, but currently available analysis tools lack the ability to combine strain-level taxonomic resolution and abundance estimation with functional profiling of assembled genomes. In order to define the microbiome and its associations with human health, improved tools are needed to enable comprehensive understanding of the microbial composition and elucidation of the phylogenetic and functional relationships between the microbes. Results Here, we present MAGinator, a freely available tool, tailored for the profiling of shotgun metagenomics datasets. MAGinator provides de novo identification of subspecies-level microbes and accurate abundance estimates of metagenome-assembled genomes (MAGs). MAGinator utilises the information from both gene- and contig-based methods yielding insight into both taxonomic profiles and the origin of genes as well as genetic content, used for inference of functional content of each sample by host organism. Additionally, MAGinator facilitates the reconstruction of phylogenetic relationships between the MAGs, providing a framework to identify clade-level differences within subspecies MAGs. Availability and implementation MAGinator is available as a Python module at https://github.com/Russel88/MAGinator Contact Trine Zachariasen, trine_zachariasen@hotmail.com