Abstract This revision of the classification of eukaryotes follows that of Adl et al., 2012 [ J. Euk. Microbiol . 59(5)] and retains an emphasis on protists. Changes since have improved the resolution of many nodes in phylogenetic analyses. For some clades even families are being clearly resolved. As we had predicted, environmental sampling in the intervening years has massively increased the genetic information at hand. Consequently, we have discovered novel clades, exciting new genera and uncovered a massive species level diversity beyond the morphological species descriptions. Several clades known from environmental samples only have now found their home. Sampling soils, deeper marine waters and the deep sea will continue to fill us with surprises. The main changes in this revision are the confirmation that eukaryotes form at least two domains, the loss of monophyly in the Excavata, robust support for the Haptista and Cryptista. We provide suggested primer sets for DNA sequences from environmental samples that are effective for each clade. We have provided a guide to trophic functional guilds in an appendix, to facilitate the interpretation of environmental samples, and a standardized taxonomic guide for East Asian users.

Rare species are increasingly recognized as crucial, yet vulnerable components of Earth's ecosystems. This is also true for microbial communities, which are typically composed of a high number of relatively rare species. Recent studies have demonstrated that rare species can have an over-proportional role in biogeochemical cycles and may be a hidden driver of microbiome function. In this review, we provide an ecological overview of the rare microbial biosphere, including causes of rarity and the impacts of rare species on ecosystem functioning. We discuss how rare species can have a preponderant role for local biodiversity and species turnover with rarity potentially bound to phylogenetically conserved features. Rare microbes may therefore be overlooked keystone species regulating the functioning of host-associated, terrestrial and aquatic environments. We conclude this review with recommendations to guide scientists interested in investigating this rapidly emerging research area.

Three methods to detect biosurfactant production, drop collapse, oil spreading, and blood agar lysis, were compared for their ease of use and reliability in relation to the ability of the cultures to reduce surface tension. The three methods were used to test for biosurfactant production in 205 environmental strains with different phylogenetic affiliations. Surface tension of select strains that gave conflicting results with the above three methods was also measured. Sixteen percent of the strains that lysed blood agar tested negative for biosurfactant production with the other two methods and had little reduction in surface tension (values above 60 mN/m). Thirty eight percent of the strains that did not lyse blood agar tested positive for biosurfactant production with the other two methods and had surface tension values as low as 35 mN/m. There was a very strong, negative, linear correlation between the diameter of clear zone obtained with the oil spreading technique and surface tension (rs = -0.959) and a weaker negative correlation between drop collapse method and surface tension (rs = -0.82), suggesting that the oil spreading technique better predicted biosurfactant production than the drop collapse method. The use of the drop collapse method as a primary method to detect biosurfactant producers, followed by the determination of the biosurfactant concentration using the oil spreading technique, constitutes a quick and easy protocol to screen and quantify biosurfactant production. The large number of false negatives and positives obtained with the blood agar lysis method and its poor correlation to surface tension (rs = -0.15) demonstrated that it is not a reliable method to detect biosurfactant production.

ABSTRACT Pyrosequencing-based 16S rRNA gene surveys are increasingly utilized to study highly diverse bacterial communities, with special emphasis on utilizing the large number of sequences obtained (tens to hundreds of thousands) for species richness estimation. However, it is not yet clear how the number of operational taxonomic units (OTUs) and, hence, species richness estimates determined using shorter fragments at different taxonomic cutoffs correlates with the number of OTUs assigned using longer, nearly complete 16S rRNA gene fragments. We constructed a 16S rRNA clone library from an undisturbed tallgrass prairie soil (1,132 clones) and used it to compare species richness estimates obtained using eight pyrosequencing candidate fragments (99 to 361 bp in length) and the nearly full-length fragment. Fragments encompassing the V1 and V2 (V1+V2) region and the V6 region (generated using primer pairs 8F-338R and 967F-1046R) overestimated species richness; fragments encompassing the V3, V7, and V7+V8 hypervariable regions (generated using primer pairs 338F-530R, 1046F-1220R, and 1046F-1392R) underestimated species richness; and fragments encompassing the V4, V5+V6, and V6+V7 regions (generated using primer pairs 530F-805R, 805F-1046R, and 967F-1220R) provided estimates comparable to those obtained with the nearly full-length fragment. These patterns were observed regardless of the alignment method utilized or the parameter used to gauge comparative levels of species richness (number of OTUs observed, slope of scatter plots of pairwise distance values for short and nearly complete fragments, and nonparametric and parametric species richness estimates). Similar results were obtained when analyzing three other datasets derived from soil, adult Zebrafish gut, and basaltic formations in the East Pacific Rise. Regression analysis indicated that these observed discrepancies in species richness estimates within various regions could readily be explained by the proportions of hypervariable, variable, and conserved base pairs within an examined fragment.

Abstract Cultured Myxococcota are predominantly aerobic soil inhabitants, characterized by their highly coordinated predation and cellular differentiation capacities. Little is currently known regarding yet-uncultured Myxococcota from anaerobic, non-soil habitats. We analyzed genomes representing one novel order (o__JAFGXQ01) and one novel family (f__JAFGIB01) in the Myxococcota from an anoxic freshwater spring in Oklahoma, USA. Compared to their soil counterparts, anaerobic Myxococcota possess smaller genomes, and a smaller number of genes encoding biosynthetic gene clusters (BGCs), peptidases, one- and two-component signal transduction systems, and transcriptional regulators. Detailed analysis of thirteen distinct pathways/processes crucial to predation and cellular differentiation revealed severely curtailed machineries, with the notable absence of homologs for key transcription factors (e.g. FruA and MrpC), outer membrane exchange receptor (TraA), and the majority of sporulation-specific and A-motility-specific genes. Further, machine-learning approaches based on a set of 634 genes informative of social lifestyle predicted a non-social behavior for Zodletone Myxococcota. Metabolically, Zodletone Myxococcota genomes lacked aerobic respiratory capacities, but encoded genes suggestive of fermentation, dissimilatory nitrite reduction, and dissimilatory sulfate-reduction (in f_JAFGIB01) for energy acquisition. We propose that predation and cellular differentiation represent a niche adaptation strategy that evolved circa 500 Mya in response to the rise of soil as a distinct habitat on earth. Importance The Myxococcota is a phylogenetically coherent bacterial lineage that exhibits unique social traits. Cultured Myxococcoat are predominantly aerobic soil-dwelling microorganisms that are capable of predation and fruiting body formation. However, multiple yet-uncultured lineages within the Myxococcota has been encountered in a wide range of non-soil, predominantly anaerobic habitats; and the metabolic capabilities, physiological preferences, and capacity of social behavior of such lineages remains unclear. Here, we analyzed genomes recovered from a metagenomic analysis of an anoxic freshwater spring in Oklahoma, USA that represent novel, yet-uncultured, orders and families in the Myxococcota. The genomes appear to lack the characteristic hallmarks for social behavior encountered in Myxococcota genomes, and displayed a significantly smaller genome size and a smaller number of genes encoding biosynthetic gene clusters, peptidases, signal transduction systems, and transcriptional regulators. Such perceived lack of social capacity we confirmed through detailed comparative genomic analysis of thirteen pathways associated with Myxococcota social behavior, as well as the implementation of machine learning approaches to predict social behavior based on genome composition. Metabolically, these novel Myxococcota are predicted to be strict anaerobes, utilizing fermentation, nitrate rductio, and dissimilarity sulfate reduction for energy acquisition. Our result highlight the broad patterns of metabolic diversity within the yet-uncultured Myxococcota and suggest that the evolution of predation and fruiting body formation in the Myxococcoat has occurred in response to soil formation as a distinct habitat on earth.

Abstract An overwhelming majority of bacterial life remains uncharacterized. Recent efforts to assemble genomes from metagenomes have provided invaluable insights into these yet-uncultured bacterial lineages. We report on the characterization of 30 genomes belonging to three novel classes within the phylum Desulfobacterota. One class (proposed name Candidatus “Anaeroferrophillalia”) was characterized by the capacity for heterotrophic growth, either fermentatively or utilizing polysulfide, tetrathionate and thiosulfate as electron acceptors. Autotrophic growth using the Wood Ljungdahl pathway and hydrogen or Fe(II) as an electron donor could also occur in absence of organic carbon sources. The second class (proposed name Candidatus “Anaeropigmentia”) was characterized by its capacity for fermentative or aerobic growth at low oxygen thresholds using a broad range of sugars and amino acids, and the capacity to synthesize the methyl/alkyl carrier CoM, an ability that is prevalent in the archaeal but rare in the bacterial domain. Pigmentation is inferred from the capacity for carotenoids (lycopene) production, as well as the occurrence of the majority of genes involved in bacteriochlorophyll a biosynthesis. The third class (proposed name Candidatus “Zymogenia”) was characterized by the capacity for heterotrophic growth fermentatively using broad sugars and amino acids as carbon sources, and the adaptation of some of its members to hypersaline habitats. Analysis of the distribution pattern of all three classes showed their occurrence as rare community members in multiple habitats, with preferences for anaerobic terrestrial (e.g. hydrocarbon contaminated environments, wetlands, bioreactors), freshwater (e.g. ground water and gas-saturated temperate lakes), and marine (e.g. hydrothermal vents, marine sediments, and coastal sediments) environments, over oxygenated (e.g. pelagic ocean and agricultural land) settings. Special preference for some members of the class Candidatus “Zymogenia” to hypersaline environments, e.g. hypersaline microbial mats and lagoons was observed. Importance Culture-independent diversity surveys conducted in the last three decades have clearly demonstrated that the scope of microbial diversity is much broader than that inferred from isolation efforts. Multiple reasons have been put forth to explain the refractiveness of a wide range of the earth’s microbiome to isolation efforts. Documenting the scope of high-rank phylogenetic diversity on earth, as well as deciphering and documenting the metabolic capacities, physiological preferences, and putative ecological roles of these yet-uncultured lineages represents one of the central goals in current microbial ecology research. Recent efforts to assemble genomes from metagenomes have provided invaluable insights into these yet-uncultured lineages. This study expands our knowledge of the phylum Desulfobacterota through the characterization of 30 genomes belonging to three novel classes. The analyzed genomes were either recovered from Zodletone Spring in southwestern Oklahoma in this study, or recently binned from public metagenomes as part of the Global Earth Microbiome initiative. Our results expand the high-rank diversity within the bacterial tree of life by describing three novel classes within the phylum Desulfobacterota, document the utilization of multiple metabolic processes, e.g. iron-oxidation, aromatic hydrocarbon degradation, reduction of sulfur-cycling intermediates, and features, e.g. coenzyme M biosynthesis, and pigmentation, as salient characteristics in these novel Desulfobacterota classes.

Abstract The recent leveraging of genome-resolved metagenomics has opened a treasure trove of genomes from novel uncultured microbial lineages, yet left many clades undescribed. We here present a global analysis of genomes belonging to the Binatota (UBP10), a globally distributed, yet-uncharacterized bacterial phylum. All orders in the Binatota encoded the capacity for aerobic methylotrophy using methanol, methylamine, sulfomethanes, chloromethanes, and potentially methane as substrates. Methylotrophy in the Binatota was characterized by order-specific substrate degradation preferences, as well as extensive metabolic versatility, i.e. the utilization of diverse sets of genes, pathways and combinations to achieve a specific metabolic goal. The genomes also encoded an arsenal of alkane hydroxylases and monooxygenases, potentially enabling growth on a wide range of alkanes and fatty acids. Pigmentation is inferred from a complete pathway for carotenoids (lycopene, β and γ carotenes, xanthins, chlorobactenes, and spheroidenes) production. Further, the majority of genes involved in bacteriochlorophyll a , c , and d biosynthesis were identified; although absence of key genes and failure to identify a photosynthetic reaction center precludes proposing phototrophic capacities. Analysis of 16S rRNA databases showed Binatota’s preferences to terrestrial and freshwater ecosystems, hydrocarbon-rich habitats, and sponges supporting their suggested potential role in mitigating methanol and methane emissions, alkanes degradation, and nutritional symbiosis with sponges. Our results expand the lists of methylotrophic, aerobic alkane degrading, and pigment-producing lineages. We also highlight the consistent encountering of incomplete biosynthetic pathways and gene shrapnel in microbial genomes, a phenomenon necessitating careful assessment when assigning putative functions based on a set-threshold of pathway completion.

Abstract The anaerobic gut fungi (AGF) or Neocallimastigomycota inhabit the rumen and alimentary tract of herbivorous mammals, where they play an important role in the degradation of plant fiber. Comparative genomic and phylogenomic analysis of the AGF has long been hampered by their fastidious growth pattern as well as their large and AT-biased genomes. We sequenced 21 AGF transcriptomes and combined them with 5 available genome sequences of AGF taxa to explore their evolutionary relationships, time their divergence, and characterize patterns of gene gain/loss associated with their evolution. We estimate that the most recent common ancestor of the AGF diverged 66 (±10) million years ago, a timeframe that coincides with the evolution of grasses (Poaceae), as well as the mammalian transition from insectivory to herbivory. The concordance of these independently estimated ages of AGF evolution, grasses evolution, and mammalian transition to herbivory suggest that AGF have been important in shaping the success of mammalian herbivory transition by improving the efficiency of energy acquisition from recalcitrant plant materials. Comparative genomics identified multiple lineage-specific genes and protein domains in the AGF, two of which were acquired from an animal host (galectin) and rumen gut bacteria (carbohydrate-binding domain) via horizontal gene transfer (HGT). Four of the bacterial derived “Cthe_2159” genes in AGF genomes also encode eukaryotic Pfam domains (“Atrophin-1”, “eIF-3_zeta”, “Nop14”, and “TPH”) indicating possible gene fusion events after the acquisition of “Cthe_2159” domain. A third AGF domain, plant-like polysaccharide lyase N-terminal domain (“Rhamnogal_lyase”), represents the first report from fungi that potentially aids AGF to degrade pectin. Analysis of genomic and transcriptomic sequences confirmed the presence and expression of these lineage-specific genes in nearly all AGF clades supporting the hypothesis that these laterally acquired and novel genes in fungi are likely functional. These genetic elements may contribute to the exceptional abilities of AGF to degrade plant biomass and enable metabolism of the rumen microbes and animal hosts.

Abstract Survival and growth of the anaerobic gut fungi (AGF, Neocallimastigomycota) in the herbivorous gut necessitate the possession of multiple abilities absent in other fungal lineages. We hypothesized that horizontal gene transfer (HGT) was instrumental in forging the evolution of AGF into a phylogenetically distinct gut-dwelling fungal lineage. Patterns of HGT were evaluated in the transcriptomes of 27 AGF strains, 22 of which were isolated and sequenced in this study, and 4 AGF genomes broadly covering the breadth of AGF diversity. We identified 283 distinct incidents of HGT in AGF transcriptomes, with subsequent gene duplication resulting in an HGT frequency of 2.1-3.6% in AGF genomes. The majority of HGT events were AGF specific (91.5%) and wide (70.7%), indicating their occurrence at early stages of AGF evolution. The acquired genes allowed AGF to expand their substrate utilization range, provided new venues for electron disposal, augmented their biosynthetic capabilities, and facilitated their adaptation to anaerobiosis. The majority of donors were anaerobic fermentative bacteria prevalent in the herbivorous gut. This work strongly indicates that HGT indispensably forged the evolution of AGF as a distinct fungal phylum and provides a unique example of the role of HGT in shaping the evolution of a high rank taxonomic eukaryotic lineage. Importance The anaerobic gut fungi (AGF) represent a distinct basal phylum lineage (Neocallimastigomycota) commonly encountered in the rumen and alimentary tracts of herbivores. Survival and growth of anaerobic gut fungi in these anaerobic, eutrophic, and prokaryotes dominated habitats necessitates the acquisition of several traits absent in other fungal lineages. This manuscript assesses the role of horizontal gene transfer as a relatively fast mechanism for trait acquisition by the Neocallimastigomycota post sequestration in the herbivorous gut. Analysis of twenty-seven transcriptomes that represent the broad Neocallimastigomycota diversity identified 283 distinct HGT events, with subsequent gene duplication resulting in an HGT frequency of 2.1-3.6% in AGF genomes. These HGT events have allowed AGF to survive in the herbivorous gut by expanding their substrate utilization range, augmenting their biosynthetic pathway, providing new routes for electron disposal by expanding fermentative capacities, and facilitating their adaptation to anaerobiosis. HGT in the AGF is also shown to be mainly a cross-kingdom affair, with the majority of donors belonging to the bacteria. This work represents a unique example of the role of HGT in shaping the evolution of a high rank taxonomic eukaryotic lineage.

Abstract The anaerobic gut fungi (AGF) represent a coherent phylogenetic clade within the Mycota. Twenty genera have been described so far. Currently, the phylogenetic and evolutionary relationships between AGF genera remain poorly understood. Here, we utilized 53 transcriptomic datasets from 14 genera to resolve AGF inter-genus relationships using phylogenomics, and to provide a quantitative estimate (amino acid identity) for intermediate rank assignments. We identify four distinct supra-genus clades, encompassing genera producing polyflagellated zoospores, bulbous rhizoids, the broadly circumscribed genus Piromyces , and the Anaeromyces and affiliated genera. We also identify the genus Khoyollomyces as the earliest evolving AGF genus. Concordance between phylogenomic outputs and RPB1 and D/D2 LSU, but not RPB2, MCM7, or ITS1, phylogenies was observed. We combine phylogenomic analysis, and AAI outputs with informative phenotypic traits to propose accommodating 13/20 AGF genera into four families: Caecomycetaceae fam. nov. (encompassing genera Caecomyces and Cyllamyces ), Piromycetaceae fam. nov. (encompassing the genus Piromyces ), emend the description of fam. Neocallimastigaceae to only encompass genera Neocallimastix , Orpinomyces , Pecramyces , Feramyces , Ghazallomyces , and Aestipascuomyces , as well as the family Anaeromycetaceae to include the genera Oontomyces , Liebetanzomyces , and Capellomyces in addition to Anaeromyces . We refrain from proposing families for the deeply branching genus Khoyollomyces , and for genera with uncertain position ( Buwchfawromyces, Joblinomyces , Tahromyces, Agriosomyces, Aklioshbomyces, and Paucimyces ) pending availability of additional isolates and sequence data. Our results establish an evolutionary- grounded Linnaean taxonomic framework for the AGF, provide quantitative estimates for rank assignments, and demonstrate the utility of RPB1 as additional informative marker in Neocallimastigomycota taxonomy.