DNA sequencing continues to decrease in cost with the Illumina HiSeq2000 generating up to 600 Gb of paired-end 100 base reads in a ten-day run. Here we present a protocol for community amplicon sequencing on the HiSeq2000 and MiSeq Illumina platforms, and apply that protocol to sequence 24 microbial communities from host-associated and free-living environments. A critical question as more sequencing platforms become available is whether biological conclusions derived on one platform are consistent with what would be derived on a different platform. We show that the protocol developed for these instruments successfully recaptures known biological results, and additionally that biological conclusions are consistent across sequencing platforms (the HiSeq2000 versus the MiSeq) and across the sequenced regions of amplicons.

For centuries ecologists have studied how the diversity and functional traits of plant and animal communities vary across biomes. In contrast, we have only just begun exploring similar questions for soil microbial communities despite soil microbes being the dominant engines of biogeochemical cycles and a major pool of living biomass in terrestrial ecosystems. We used metagenomic sequencing to compare the composition and functional attributes of 16 soil microbial communities collected from cold deserts, hot deserts, forests, grasslands, and tundra. Those communities found in plant-free cold desert soils typically had the lowest levels of functional diversity (diversity of protein-coding gene categories) and the lowest levels of phylogenetic and taxonomic diversity. Across all soils, functional beta diversity was strongly correlated with taxonomic and phylogenetic beta diversity; the desert microbial communities were clearly distinct from the nondesert communities regardless of the metric used. The desert communities had higher relative abundances of genes associated with osmoregulation and dormancy, but lower relative abundances of genes associated with nutrient cycling and the catabolism of plant-derived organic compounds. Antibiotic resistance genes were consistently threefold less abundant in the desert soils than in the nondesert soils, suggesting that abiotic conditions, not competitive interactions, are more important in shaping the desert microbial communities. As the most comprehensive survey of soil taxonomic, phylogenetic, and functional diversity to date, this study demonstrates that metagenomic approaches can be used to build a predictive understanding of how microbial diversity and function vary across terrestrial biomes.

Signature microbes follow you from house to house Householders share more than habitation; they also share inhabitants. In a diverse sample of U.S. homes, Lax et al. found that people and animals sharing homes shared their microbial communities (microbiota) too, probably because of skin shedding and hand and foot contamination. When families moved, their microbiological “aura” followed. If one person left the home even for a few days, their contribution to the microbiome diminished. These findings have implications not only for household identity and composition, but also for indicators of the members' health and well-being. Science , this issue p. 1048

ABSTRACT Grapevine is a well-studied, economically relevant crop, whose associated bacteria could influence its organoleptic properties. In this study, the spatial and temporal dynamics of the bacterial communities associated with grapevine organs (leaves, flowers, grapes, and roots) and soils were characterized over two growing seasons to determine the influence of vine cultivar, edaphic parameters, vine developmental stage (dormancy, flowering, preharvest), and vineyard. Belowground bacterial communities differed significantly from those aboveground, and yet the communities associated with leaves, flowers, and grapes shared a greater proportion of taxa with soil communities than with each other, suggesting that soil may serve as a bacterial reservoir. A subset of soil microorganisms, including root colonizers significantly enriched in plant growth-promoting bacteria and related functional genes, were selected by the grapevine. In addition to plant selective pressure, the structure of soil and root microbiota was significantly influenced by soil pH and C:N ratio, and changes in leaf- and grape-associated microbiota were correlated with soil carbon and showed interannual variation even at small spatial scales. Diazotrophic bacteria, e.g., Rhizobiaceae and Bradyrhizobium spp., were significantly more abundant in soil samples and root samples of specific vineyards. Vine-associated microbial assemblages were influenced by myriad factors that shape their composition and structure, but the majority of organ-associated taxa originated in the soil, and their distribution reflected the influence of highly localized biogeographic factors and vineyard management. IMPORTANCE Vine-associated bacterial communities may play specific roles in the productivity and disease resistance of their host plant. Also, the bacterial communities on grapes have the potential to influence the organoleptic properties of the wine, contributing to a regional terroir. Understanding that factors that influence these bacteria may provide insights into management practices to shape and craft individual wine properties. We show that soil serves as a key source of vine-associated bacteria and that edaphic factors and vineyard-specific properties can influence the native grapevine microbiome preharvest.

Native tallgrass prairie once dominated much of the midwestern United States, but this biome and the soil microbial diversity that once sustained this highly productive system have been almost completely eradicated by decades of agricultural practices. We reconstructed the soil microbial diversity that once existed in this biome by analyzing relict prairie soils and found that the biogeographical patterns were largely driven by changes in the relative abundance of Verrucomicrobia, a poorly studied bacterial phylum that appears to dominate many prairie soils. Shotgun metagenomic data suggested that these spatial patterns were associated with strong shifts in carbon dynamics. We show that metagenomic approaches can be used to reconstruct below-ground biogeochemical and diversity gradients in endangered ecosystems; such information could be used to improve restoration efforts, given that even small changes in below-ground microbial diversity can have important impacts on ecosystem processes.

Soil microbial communities are essential for ecosystem function, but linking community composition to biogeochemical processes is challenging because of high microbial diversity and large spatial variability of most soil characteristics. We investigated soil bacterial community structure in a switchgrass stand planted on soil with a history of grassland vegetation at high spatial resolution to determine whether biogeographic trends occurred at the centimeter scale. Moreover, we tested whether such heterogeneity, if present, influenced community structure within or among ecosystems. Pronounced heterogeneity was observed at centimeter scales, with abrupt changes in relative abundance of phyla from sample to sample. At the ecosystem scale (> 10 m), however, bacterial community composition and structure were subtly, but significantly, altered by fertilization, with higher alpha diversity in fertilized plots. Moreover, by comparing these data with data from 1772 soils from the Earth Microbiome Project, it was found that 20% of bacterial taxa were shared between their site and diverse globally sourced soil samples, while grassland soils shared approximately 40% of their operational taxonomic units with the current study. By spanning several orders of magnitude, the analysis suggested that extreme patchiness characterized community structure at smaller scales but that coherent patterns emerged at larger length scales.

Abstract Bacteria play a key role in freshwater biogeochemical cycling, but long-term trends in freshwater bacterial community composition and dynamics are not yet well characterized. We used a multi-year time series of 16S rRNA gene amplicon sequencing data from eight bog lakes to census the freshwater bacterial community and observe annual and seasonal trends in abundance. Multiple sites and sampling events were necessary to begin to fully describe the bacterial communities. Each lake and layer contained a distinct bacterial community, with distinct levels of richness and indicator taxa that likely reflected the environmental conditions of each site. The community present in each year and site was also unique. Despite high interannual variability in community composition, we detected a core community of ubiquitous freshwater taxa. Although trends in abundance did not repeat annually, each freshwater lineage within the communities had a consistent lifestyle, defined by persistence, abundance, and variability. The results of our analysis emphasize the importance of long-term observations, as analyzing only a single year of data would not have allowed us to describe the dynamics and composition of these freshwater bacterial communities to the extent presented here. Importance Lakes are excellent systems for investigating bacterial community dynamics because they have clear boundaries and strong environmental gradients. The results of our research demonstrate that bacterial community dynamics operate on multi-year timescales, a finding which likely applies to other ecosystems, with implications for study design and interpretation. Understanding the drivers and controls of bacterial communities on long time scales would improve both our knowledge of fundamental properties of bacterial communities, and our ability to predict community states. In this specific ecosystem, bog lakes play a disproportionately large role in global carbon cycling, and the information presented here may ultimately help refine carbon budgets for these lakes. Finally, all data and code in this study are publicly available. We hope that this will serve as a resource to anyone seeking to answer their own microbial ecology questions using a multi-year time series.

Abstract Several pyridine derivatives including the pesticide nitrapyrin [2-chloro-6-(trichloromethyl) pyridine] are strong inhibitors of methane monooxygenase, a key enzyme of aerobic methane (CH 4 ) oxidation. In this study we examined the effects of 2-chloro-6-methylpyridine (2C6MP) concentration on aerobic CH 4 oxidation and the development of populations of putative methanotrophs in sediment from Old Woman Creek, a freshwater estuary in Huron Co., Ohio. Experimental systems were prepared in serum bottles containing minimal medium with a headspace containing 20% O 2 and 10% CH 4 . The microcosms were spiked with 2C6MP to achieve concentrations of 0, 0.1, 1, or 10 mM and inoculated with sediment. When headspace CH 4 concentrations decreased from 10% to < 2%, subsamples were taken for DNA extraction and sequencing of 16S rRNA gene amplicons. There was minimal effect of 2C6MP on CH 4 oxidation at concentrations of 0.1, and 1 mM, but complete inhibition for > 20 months was observed at 10 mM. ANOSIM of weighted UniFrac distances between groups of triplicate samples supported a primary distinction of the inoculum relative to the enrichments (R=0.999) and a secondary distinction between bottles containing 2C6MP versus those without (R=0.464 [0.1 mM]; R=0.894 [1 mM]). The inoculum was dominated by members of the Proteobacteria (49.9±1.5%), and to a lesser extent by Bacteroidetes (8.8±0.2%), Acidobacteria (8.9±0.4%), and Verrucomicrobia (4.4±0.3%). In enrichments with or without 2C6MP, Proteobacteria expanded to comprise 65–70% of the total. In the absence of inhibitor, members of the Methylococcaceae and Methylophilaceae increased in relative abundance from < 0.1% of the inoculum to 8.5±1.0% and 13.4±2.3%, of the total community respectively. At both 0.1 and 1 mM concentrations of the inhibitor, the Methylococcaceae were much less abundant, representing 3.3±0.5% and 2.8±3.3% respectively. No inhibition of the Methylophilaceae was seen at the lower concentration of 2C6MP, but at the higher concentration this taxon was only 7.8±1.1% of the total. In contrast, members of the Crenotrichaceae , another group of methane oxidizers, increased in relative abundance with greater amounts of inhibitor, representing 8.6±3.6% of the total at 0.1 mM and 12.0±4.5% at 1 mM, compared to only 4.1±0.4% when no inhibitor was present. These results clearly show changes in the populations of putative aerobic methanotrophs relative to the amount of 2C6MP present.

Abstract Methane is a microbially derived greenhouse gas whose emissions are highly variable throughout wetland ecosystems. Differences in plant community composition account for some of this variability, suggesting an influence of plant species on microbial community structure and function in these ecosystems. Given that closely related plant species have similar morphological and biochemical features, we hypothesize that plant evolutionary history is related to differences in microbial community composition. To examine species-specific patterns in microbiomes, we selected five monoculture-forming wetland plant species based on the evolutionary distances among them. We detected significant differences in microbial communities between sample types (unvegetated soil, bulk soil, rhizosphere soil, internal root tissues, and internal leaf tissues) associated with these plant species based on 16S relative abundances. We additionally found that differences in plant evolutionary history were correlated with variation in microbial communities across plant species within each sample type. Using qPCR, we observed substantial differences in overall methanogen and methanotroph population sizes between plant species and sample types. Methanogens tended to be most abundant in rhizosphere soils while methanotrophs were the most abundant in roots. Given that microbes influence methane flux and that plants affect methanogen and methanotroph populations, plant species contribute to variable degrees of methane emissions. Incorporating the influence of plant evolutionary history into future modeling efforts may improve predictions of wetland methane emission since microbial community differences correlate with differences in plant evolutionary history.

Here we seek to test the extent to which laboratory enrichments mimic natural community processes and the degree to which the initial structure of a community determines its response to a press disturbance via the addition of environmentally-relevant carbon compounds. By utilizing aerobic substrate arrays to examine the effect of carbon amendment on microbial communities taken from six distinct environments (soil from a temperate prairie and forest, tropical forest soil, subalpine forest soil, and surface water and soil from a palustrine emergent wetland), we examined how carbon amendment and inoculum source shape the composition of the community in each enrichment. Dilute subsamples from each environment were used to inoculate 96-well microtiter plates containing triplicate wells amended with one of 31 carbon sources from 6 different classes of organic compound (phenols, polymers, carbohydrates, carboxylic acids, amines, amino acids). After incubating each well aerobically in the dark for 72 hours, we analyzed the composition of the microbial communities on the substrate arrays as well as the initial inocula by sequencing 16S rRNA gene amplicons using the Illumina MiSeq platform. Comparisons of alpha and beta diversity in these systems showed that, while the composition of the communities that grow to inhabit the wells in each substrate array diverges sharply from that of the original community in the inoculum, these enrichment communities are still is strongly affected by the inoculum source. We found most enrichments were dominated by one or several OTUs most closely related to aerobes or facultative anaerobes from the Proteobacteria (e.g. Pseudomonas, Burkholderia, and Ralstonia) or Bacteroidetes (e.g. Chryseobacterium). Comparisons within each substrate array based on the class of carbon source further show that the communities inhabiting wells amended with a carbohydrate differ significantly from those enriched with a phenolic compound. Niche selection therefore seems to play a strong role in shaping the communities in the substrate arrays, although some stochasticity is seen whereby several replicate wells within a single substrate array display strongly divergent community compositions. Overall, the use of highly parallel substrate arrays offers a promising path forward to study the response of microbial communities to a changing environment.