The species complexity of microbial communities and challenges in culturing representative isolates make it difficult to obtain assembled genomes. Here we characterize and compare the metabolic capabilities of terrestrial and marine microbial communities using largely unassembled sequence data obtained by shotgun sequencing DNA isolated from the various environments. Quantitative gene content analysis reveals habitat-specific fingerprints that reflect known characteristics of the sampled environments. The identification of environment-specific genes through a gene-centric comparative analysis presents new opportunities for interpreting and diagnosing environments.

Wood-feeding higher termites are a very successful group, important in facilitating carbon turnover in the environment. It is not the termites themselves that perform the key reactions that makes their lifestyle possible, but the lignocellulase-degrading symbiotic bacteria found in their hindgut. A metagenomic analysis of gut microbes from over 150 tree-living termites from a Costa Rican rainforest has revealed a diverse range of bacterial cellulase and xylan hydrolase genes, as well as genes important in other symbiotic functions. The data set includes about 1,000 bacterial lignocellulose hydrolase enzymes, some of them expressed in situ, in living termites. This work shows that termites are a rich reservoir of bacterial enzymes that might be used in the conversion of woody material into biofuels. Wood-feeding 'higher' termites rely on their hindgut symbionts for the intitial steps in cellulose degradation. Metagenomic analysis of this microbial community reveals a diverse range of bacterial cellulase and hydrolase genes, as well as genes important in other metabolic functions, such as H2 metabolism, CO2-reductive acetogenesis and N2 fixation. From the standpoints of both basic research and biotechnology, there is considerable interest in reaching a clearer understanding of the diversity of biological mechanisms employed during lignocellulose degradation. Globally, termites are an extremely successful group of wood-degrading organisms1 and are therefore important both for their roles in carbon turnover in the environment and as potential sources of biochemical catalysts for efforts aimed at converting wood into biofuels. Only recently have data supported any direct role for the symbiotic bacteria in the gut of the termite in cellulose and xylan hydrolysis2. Here we use a metagenomic analysis of the bacterial community resident in the hindgut paunch of a wood-feeding ‘higher’ Nasutitermes species (which do not contain cellulose-fermenting protozoa) to show the presence of a large, diverse set of bacterial genes for cellulose and xylan hydrolysis. Many of these genes were expressed in vivo or had cellulase activity in vitro, and further analyses implicate spirochete and fibrobacter species in gut lignocellulose degradation. New insights into other important symbiotic functions including H2 metabolism, CO2-reductive acetogenesis and N2 fixation are also provided by this first system-wide gene analysis of a microbial community specialized towards plant lignocellulose degradation. Our results underscore how complex even a 1-μl environment can be.

The SAR11 clade consists of very small, heterotrophic marine α-proteobacteria that are found throughout the oceans, where they account for about 25% of all microbial cells. Pelagibacter ubique , the first cultured member of this clade, has the smallest genome and encodes the smallest number of predicted open reading frames known for a free-living microorganism. In contrast to parasitic bacteria and archaea with small genomes, P. ubique has complete biosynthetic pathways for all 20 amino acids and all but a few cofactors. P. ubique has no pseudogenes, introns, transposons, extrachromosomal elements, or inteins; few paralogs; and the shortest intergenic spacers yet observed for any cell.

Mercury Methylating Microbes Mercury (Hg) most commonly becomes bioavailable and enters the food web as the organic form methylmercury, where it induces acute toxicity effects that can be magnified up the food chain. But most natural and anthropogenic Hg exists as inorganic Hg 2+ and is only transformed into methylmercury by anaerobic microorganisms—typically sulfur-reducing bacteria. Using comparative genomics, Parks et al. (p. 1332 , published online 7 February; see the Perspective by Poulain and Barkay ) identified two genes that encode a corrinoid and iron-sulfur proteins in six known Hg-methylating bacteria but were absent in nonmethylating bacteria. In two distantly related model Hg-methylating bacteria, deletion of either gene—or both genes simultaneously—reduced the ability for the bacteria to produce methylmercury but did not impair cellular growth. The presence of this two-gene cluster in several other bacterial and lineages for which genome sequences are available suggests the ability to produce methylmercury may be more broadly distributed in the microbial world than previously recognized.

Abstract Periodontitis has a polymicrobial etiology within the framework of a complex microbial ecosystem. With advances in sequencing technologies, comprehensive studies to elucidate bacterial community differences have recently become possible. We used 454 sequencing of 16S rRNA genes to compare subgingival bacterial communities from 29 periodontally healthy controls and 29 subjects with chronic periodontitis. Amplicons from both the V1-2 and V4 regions of the 16S gene were sequenced, yielding 1 393 579 sequences. They were identified by BLAST against a curated oral 16S database, and mapped to 16 phyla, 106 genera, and 596 species. 81% of sequences could be mapped to cultivated species. Differences between health- and periodontitis-associated bacterial communities were observed at all phylogenetic levels, and UniFrac and principal coordinates analysis showed distinct community profiles in health and disease. Community diversity was higher in disease, and 123 species were identified that were significantly more abundant in disease, and 53 in health. Spirochaetes, Synergistetes and Bacteroidetes were more abundant in disease, whereas the Proteobacteria were found at higher levels in healthy controls. Within the phylum Firmicutes, the class Bacilli was health-associated, whereas the Clostridia, Negativicutes and Erysipelotrichia were associated with disease. These results implicate a number of taxa that will be targets for future research. Some, such as Filifactor alocis and many Spirochetes were represented by a large fraction of sequences as compared with previously identified targets. Elucidation of these differences in community composition provides a basis for further understanding the pathogenesis of periodontitis.

Microbial mercury (Hg) methylation transforms a toxic trace metal into the highly bioaccumulated neurotoxin methylmercury (MeHg). The lack of a genetic marker for microbial MeHg production has prevented a clear understanding of Hg-methylating organism distribution in nature. Recently, a specific gene cluster (hgcAB) was linked to Hg methylation in two bacteria.1 Here we test if the presence of hgcAB orthologues is a reliable predictor of Hg methylation capability in microorganisms, a necessary confirmation for the development of molecular probes for Hg-methylation in nature. Although hgcAB orthologues are rare among all available microbial genomes, organisms are much more phylogenetically and environmentally diverse than previously thought. By directly measuring MeHg production in several bacterial and archaeal strains encoding hgcAB, we confirmed that possessing hgcAB predicts Hg methylation capability. For the first time, we demonstrated Hg methylation in a number of species other than sulfate- (SRB) and iron- (FeRB) reducing bacteria, including methanogens, and syntrophic, acetogenic, and fermentative Firmicutes. Several of these species occupy novel environmental niches for Hg methylation, including methanogenic habitats such as rice paddies, the animal gut, and extremes of pH and salinity. Identification of these organisms as Hg methylators now links methylation to discrete gene markers in microbial communities.

Characterizing the biogeography of the microbiome of healthy humans is essential for understanding microbial associated diseases. Previous studies mainly focused on a single body habitat from a limited set of subjects. Here, we analyzed one of the largest microbiome datasets to date and generated a biogeographical map that annotates the biodiversity, spatial relationships, and temporal stability of 22 habitats from 279 healthy humans.We identified 929 genera from more than 24 million 16S rRNA gene sequences of 22 habitats, and we provide a baseline of inter-subject variation for healthy adults. The oral habitat has the most stable microbiota with the highest alpha diversity, while the skin and vaginal microbiota are less stable and show lower alpha diversity. The level of biodiversity in one habitat is independent of the biodiversity of other habitats in the same individual. The abundances of a given genus at a body site in which it dominates do not correlate with the abundances at body sites where it is not dominant. Additionally, we observed the human microbiota exhibit both cosmopolitan and endemic features. Finally, comparing datasets of different projects revealed a project-based clustering pattern, emphasizing the significance of standardization of metagenomic studies.The data presented here extend the definition of the human microbiome by providing a more complete and accurate picture of human microbiome biogeography, addressing questions best answered by a large dataset of subjects and body sites that are deeply sampled by sequencing.

The hyperthermophile Nanoarchaeum equitans is an obligate symbiont growing in coculture with the crenarchaeon Ignicoccus. Ribosomal protein and rRNA-based phylogenies place its branching point early in the archaeal lineage, representing the new archaeal kingdom Nanoarchaeota. The N. equitans genome (490,885 base pairs) encodes the machinery for information processing and repair, but lacks genes for lipid, cofactor, amino acid, or nucleotide biosyntheses. It is the smallest microbial genome sequenced to date, and also one of the most compact, with 95% of the DNA predicted to encode proteins or stable RNAs. Its limited biosynthetic and catabolic capacity indicates that N. equitans' symbiotic relationship to Ignicoccus is parasitic, making it the only known archaeal parasite. Unlike the small genomes of bacterial parasites that are undergoing reductive evolution, N. equitans has few pseudogenes or extensive regions of noncoding DNA. This organism represents a basal archaeal lineage and has a highly reduced genome.

The root-rhizosphere interface of Populus is the nexus of a variety of associations between bacteria, fungi, and the host plant and an ideal model for studying interactions between plants and microorganisms. However, such studies have generally been confined to greenhouse and plantation systems. Here we analyze microbial communities from the root endophytic and rhizospheric habitats of Populus deltoides in mature natural trees from both upland and bottomland sites in central Tennessee. Community profiling utilized 454 pyrosequencing with separate primers targeting the V4 region for bacterial 16S rRNA and the D1/D2 region for fungal 28S rRNA genes. Rhizosphere bacteria were dominated by Acidobacteria (31%) and Alphaproteobacteria (30%), whereas most endophytes were from the Gammaproteobacteria (54%) as well as Alphaproteobacteria (23%). A single Pseudomonas-like operational taxonomic unit (OTU) accounted for 34% of endophytic bacterial sequences. Endophytic bacterial richness was also highly variable and 10-fold lower than in rhizosphere samples originating from the same roots. Fungal rhizosphere and endophyte samples had approximately equal amounts of the Pezizomycotina (40%), while the Agaricomycotina were more abundant in the rhizosphere (34%) than endosphere (17%). Both fungal and bacterial rhizosphere samples were highly clustered compared to the more variable endophyte samples in a UniFrac principal coordinates analysis, regardless of upland or bottomland site origin. Hierarchical clustering of OTU relative abundance patterns also showed that the most abundant bacterial and fungal OTUs tended to be dominant in either the endophyte or rhizosphere samples but not both. Together, these findings demonstrate that root endophytic communities are distinct assemblages rather than opportunistic subsets of the rhizosphere.

Mercury (Hg) methylation produces the neurotoxic, highly bioaccumulative methylmercury (MeHg). The highly conserved nature of the recently identified Hg methylation genes hgcAB provides a foundation for broadly evaluating spatial and niche-specific patterns of microbial Hg methylation potential in nature. We queried hgcAB diversity and distribution in >3500 publicly available microbial metagenomes, encompassing a broad range of environments and generating a new global view of Hg methylation potential. The hgcAB genes were found in nearly all anaerobic (but not aerobic) environments, including oxygenated layers of the open ocean. Critically, hgcAB was effectively absent in ~1500 human and mammalian microbiomes, suggesting a low risk of endogenous MeHg production. New potential methylation habitats were identified, including invertebrate digestive tracts, thawing permafrost soils, coastal "dead zones," soils, sediments, and extreme environments, suggesting multiple routes for MeHg entry into food webs. Several new taxonomic groups capable of methylating Hg emerged, including lineages having no cultured representatives. Phylogenetic analysis points to an evolutionary relationship between hgcA and genes encoding corrinoid iron-sulfur proteins functioning in the ancient Wood-Ljungdahl carbon fixation pathway, suggesting that methanogenic Archaea may have been the first to perform these biotransformations.