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 In spite of their indispensable role in host nutrition, the anaerobic gut fungal (AGF) component of the herbivorous gut microbiome remains poorly characterized. To examine global patterns and determinants of AGF diversity, we generated and analyzed an amplicon dataset from 661 fecal samples from 34 animal species, 9 families, and 6 continents. We identified 56 novel genera, greatly expanding AGF diversity beyond current estimates. Both stochastic (homogenizing dispersal and drift) and deterministic (homogenizing selection) processes played an integral role in shaping AGF communities, with a higher level of stochasticity observed in foregut fermenters. Community structure analysis revealed a distinct pattern of phylosymbiosis, where host-associated (animal species, family, and gut type), rather than ecological (domestication status and biogeography) factors predominantly shaped the community. Hindgut fermenters exhibited stronger and more specific fungal-host associations, compared to broader mostly non-host specific associations in foregut fermenters. Transcriptomics-enabled phylogenomic and molecular clock analyses of 52 strains from 14 genera indicated that most genera with preferences for hindgut hosts evolved earlier (44-58 Mya), while those with preferences for foregut hosts evolved more recently (22-32 Mya). This pattern is in agreement with the sole dependence of herbivores on hindgut fermentation past the Cretaceous-Paleogene (K-Pg) extinction event through the Paleocene and Eocene, and the later rapid evolution of animals employing foregut fermentation strategy during the early Miocene. Only a few AGF genera deviated from this pattern of co-evolutionary phylosymbiosis, by exhibiting preferences suggestive of post-evolutionary environmental filtering. Our results greatly expand the documented scope of AGF diversity and provide an ecologically and evolutionary-grounded model to explain the observed patterns of AGF diversity in extant animal hosts.

Anaerobic gut fungi (AGF, Neocallimastigomycota) reside in the alimentary tract of herbivores. While their presence in mammals is well documented, evidence for their occurrence in non-mammalian hosts is currently sparse. Culture-independent surveys of AGF in tortoises identified a unique community, with three novel deep-branching genera representing >90% of sequences in most samples. Representatives of all genera were successfully isolated under strict anaerobic conditions. Transcriptomics-enabled phylogenomic and molecular dating analyses indicated an ancient, deep-branching position in the AGF tree for these genera, with an evolutionary divergence time estimate of 104-112 million years ago (Mya). Such estimates push the establishment of animal-Neocallimastigomycota symbiosis from the late to the early Cretaceous. Further, tortoise-associated isolates (T-AGF) exhibited limited capacity for plant polysaccharides metabolism and lacked genes encoding several carbohydrate-active enzyme (CAZyme) families. Finally, we demonstrate that the observed curtailed degradation capacities and reduced CAZyme repertoire is driven by the paucity of horizontal gene transfer (HGT) in T-AGF genomes, compared to their mammalian counterparts. This reduced capacity was reflected in an altered cellulosomal production capacity in T-AGF. Our findings provide insights into the phylogenetic diversity, ecological distribution, evolutionary history, evolution of fungal-host nutritional symbiosis, and dynamics of genes acquisition in Neocallimastigomycota.

Abstract The anaerobic gut fungi (AGF, Neocallimastigomycota ) reside in the alimentary tract of herbivores. While their presence in mammals is well documented, evidence for their occurrence in non-mammalian hosts is currently sparse. Here we report on AGF communities in tortoises (family Testudinidae ). Culture-independent surveys of tortoise fecal samples identified a unique AGF community, with three novel deep-branching genera representing >90% of sequences in most samples. Representatives of all genera were successfully isolated under strict anaerobic conditions at 30 ° C or 39 ° C. Transcriptomics-enabled phylogenomic and molecular dating analysis indicated an ancient, deep-branching position in the AGF tree for these genera, with an evolutionary divergence time estimate of 104-112 million years ago (Mya). Such estimates push the establishment of animal- Neocallimastigomycota symbiosis from the early Paleogene (67 Mya) to the early Cretaceous (112 Mya). Further, compared to their mammalian counterparts, tortoise-associated isolates exhibited a more limited capacity for plant polysaccharides metabolism and lacked genes encoding several carbohydrate active enzyme (CAZyme) families mediating their degradation. Finally, we demonstrate that the observed curtailed degradation capacities and reduced CAZyme repretoire in tortoise-associated AGF is driven by the paucity of horizontal gene transfer (HGT) in tortoise-associated AGF genomes, compared to the massive HGT occurrence in mammalian AGF taxa. The reduced CAZyome and overall secretory machinery observed is also reflected in an altered cellulosomal production capacity in tortoise-associated AGF. Our findings provide novel insights into the scope of phylogenetic diversity, ecological distribution, evolutionary history, evolution of fungal-host nutritional symbiosis, and dynamics of genes and traits acquisition in Neocallimastigomycota . Significance Anaerobic gut fungi (AGF) are encountered in the rumen and hindgut of mammalian herbivores. However, their occurrence outside their canonical mammalian hosts is currently unclear. We report the identification, isolation, and characterization of novel, deep-branching AGF genera from tortoises. Such discovery expands the phylogenetic diversity and host range of the AGF and revises estimates of the phylum’s evolutionary time to the early Cretaceous (112 Mya). We also demonstrate that tortoise-sourced AGF lack multiple metabolic features compared to their mammalian counterparts, and identify the relative paucity of HGT events in tortoise-associated genera as a major factor underpinning such differences. Our results alter our understanding of the scope of phylogenetic diversity, ecological distribution, and evolutionary history of the AGF.

Abstract The anaerobic gut fungi (AGF) inhabit the alimentary tracts of herbivores. In contrast to placental mammals, information regarding the identity, diversity, and community structure of AGF in marsupials is extremely sparse. Here, we characterized AGF communities in sixty one fecal samples from ten marsupial species belonging to four families in the order Diprotodontia : Vombatidae (wombats), Phascolarctidae (koalas), Phalangeridae (possums), and Macropodidae (kangaroos, wallabies, and pademelons). Amplicon-based diversity survey using the D2 region in the large ribosomal subunit (D2 LSU) as a phylogenetic marker indicated that marsupial AGF communities were dominated by eight genera commonly encountered in placental herbivores ( Neocallimastix , Caecomyces , Cyllamyces , Anaeromyces , Orpinomyces , Piromyces , Pecoramyces , and Khoyollomyces ). Community structure analysis revealed a high level of stochasticity, and ordination approaches did not reveal a significant role for animal host, gut type, dietary preferences, or lifestyle in structuring marsupial AGF communities. Marsupial foregut and hindgut communities displayed diversity and community structure patterns comparable to AGF communities typically encountered in placental foregut hosts, while exhibiting a higher level of diversity and a distinct community structure compared to placental hindgut communities. Quantification of AGF load using quantitative PCR indicated a significantly smaller load in marsupial hosts compared to their placental counterparts. Isolation efforts were only successful from a single red kangaroo fecal sample and yielded a Khoyollomyces ramosus isolate closely related to strains previously isolated from placental hosts. Our results suggest that AGF communities in marsupials are in low abundance, and show little signs of selection based on ecological and evolutionary factors. The observed lack of host-fungal coevolutionary signal suggests a potential recent acquisition and/or a transient nature of AGF communities in marsupial herbivores.

Abstract The rumen houses a diverse community that plays a major role in the digestion process in ruminants. Anaerobic gut fungi (AGF) are key contributors to plant digestion in the rumen. Here, we present a global amplicon-based survey of the rumen mycobiome by examining 206 samples from 15 animal species, 15 countries and six continents. The rumen mycobiome was highly diverse, with 81 out of 88 currently recognized AGF genera or candidate genera identified. However, only six genera ( Neocallimastix, Orpinomyces, Caecomyces, Cyllamyces, NY9, and Piromyces ) were present at > 4% relative abundance. AGF diversity was higher in members of the families Antilocapridae and Cervidae compared to Bovidae . Community structure analysis identified a pattern of phylosymbiosis, where host family (10% of total variance) and species (13.5%) partially explained the rumen mycobiome composition. Domestication (11.14%) and biogeography (14.1%) also partially explained AGF community structure, although sampling limitation, geographic range restrictions, and direct association between domestication status and host species hindered accurate elucidation of the relative contribution of each factor. Pairwise comparison of rumen versus fecal samples obtained from the same subject (n=13) demonstrated greater diversity and inter-sample variability in rumen over fecal samples. The genera Neocallimastix and Orpinomyces were present in higher abundance in rumen samples, while Cyllamyces and Caecomyces were enriched in fecal samples. Comparative analysis of global rumen and feces datasets revealed a similar pattern. Our results provide a global view of AGF community in the rumen and identify patterns of AGF variability between rumen and feces in herbivores tract. Importance Ruminants are highly successful and economically important mammalian suborder. Ruminants are herbivores that digest plant material with the aid of microorganisms residing in their GI tract. The rumen compartment represents the most important location where microbially-mediated plant digestion occurs in ruminants, and is known to house a bewildering array of microbial diversity. An important component of the rumen microbiome is the anaerobic gut fungi, members of the phylum Neocallimastigomycota. So far, studies examining AGF diversity have mostly employed fecal samples, and little is currently known regarding the identity of AGF residing in the rumen compartment, factors that impact the observed patterns of diversity and community structure of AGF in the rumen, and how AGF communities in the rumen compare to AGF communities in feces. Here, we examined the rumen AGF diversity using amplicon-based surveys targeting a wide range of wild and domesticated ruminants (n=206, 15 different animal species) obtained from 15 different countries. Our results demonstrate that while highly diverse, no new AGF genera were identified in the rumen mycobiome samples examined. Our analysis also indicate that animal host phylogeny plays a more important role in shaping AGF diversity in the rumen, compared to biogeography and domestication status. Finally, we demonstrate that a greater level of diversity and higher inter-sample variability was observed in rumen compared to fecal samples, with two genera ( Neocallimastix and Orpinomyces ) present in higher abundance in rumen samples, and two others ( Cyllamyces and Caecomyces ) enriched in fecal samples. Our results provide a global view of the identity, diversity, and community structure of AGF in ruminants, elucidate factors impacting diversity and community structure of the rumen mycobiome, and identify patterns of AGF community variability between the rumen and feces in the herbivorous GIT tract.