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.

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.

While most bacterial and archaeal taxa living in surface soils remain undescribed, this problem is exacerbated in deeper soils owing to the unique oligotrophic conditions found in the subsurface. Additionally, previous studies of soil microbiomes have focused almost exclusively on surface soils, even though the microbes living in deeper soils also play critical roles in a wide range of biogeochemical processes. We examined soils collected from 20 distinct profiles across the U.S. to characterize the bacterial and archaeal communities that live in subsurface soils and to determine whether there are consistent changes in soil microbial communities with depth across a wide range of soil and environmental conditions. We found that bacterial and archaeal diversity generally decreased with depth, as did the degree of similarity of microbial communities to those found in surface horizons. We observed five phyla that consistently increased in relative abundance with depth across our soil profiles: Chloroflexi, Nitrospirae, Euryarchaeota, and candidate phyla GAL15 and Dormibacteraeota (formerly AD3). Leveraging the unusually high abundance of Dormibacteraeota at depth, we assembled genomes representative of this candidate phylum and identified traits that are likely to be beneficial in low nutrient environments, including the synthesis and storage of carbohydrates, the potential to use carbon monoxide (CO) as a supplemental energy source, and the ability to form spores. Together these attributes likely allow members of the candidate phylum Dormibacteraeota to flourish in deeper soils and provide insight into the survival and growth strategies employed by the microbes that thrive in oligotrophic soil environments.

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.

Background Cervical microbiota (CM) are considered an important factor affecting the progression of cervical intraepithelial neoplasia (CIN) and are implicated in the persistence of human papillomavirus (HPV). Collection of liquid-based cytology (LBC) samples is routine for cervical cancer screening and HPV genotyping, and can be used for long-term cytological biobanking. Herein, we investigate the feasibility of leveraging LBC specimens for use in CM surveys by amplicon sequencing. As methodological differences in DNA extraction protocols can potentially bias the composition of microbiota, we set out to determine the performance of four commonly used DNA extraction kits (ZymoBIOMICS DNA Miniprep Kit; QIAamp PowerFecal Pro DNA Kit; QIAamp DNA Mini Kit; and IndiSpin Pathogen Kit) and their ability to capture the diversity of CM from LBC specimens.Results LBC specimens from 20 patients (stored for 716 ± 105 days) with cervical intraepithelial neoplasia (CIN) 2/3 or suspected CIN2/3 were each aliquoted for the four kits. We observed that, regardless of the extraction protocol used, all kits provided equivalent accessibility to the cervical microbiome, with some minor differences. For example, the ZymoBIOMICS kit appeared to differentially increase access of several microbiota compared to the other kits. Potential kit contaminants were observed as well. Approximately 80% microbial genera were shared among all DNA extraction protocols. The variance of microbial composition per individual was larger than that of the DNA extraction protocol used. We also observed that HPV16 infection was significantly associated with community types that were not dominated by Lactobacillus iners .Conclusions Collection of LBC specimens is routine for cervical cancer screening and HPV genotyping, and can be used for long-term cytological biobanking. We demonstrated that LBC samples, which had been under prolonged storage prior to DNA extraction, were able to provide a robust assessment of the CM and its relationship to HPV status, regardless of the extraction kit used. Being able to retroactively access the CM from biobanked LBC samples, will allow researchers to better interrogate historical interactions between the CM and its relationship to CIN and HPV. This alone has the potential to bring CM research one-step closer to the clinical practice.