ABSTRACT Discovery of microbial hydrocarbon degradation pathways has traditionally relied on laboratory isolation and characterization of microorganisms. Although many metabolic pathways for hydrocarbon degradation have been discovered, the absence of tools dedicated to their annotation makes it difficult to identify the relevant genes and predict the hydrocarbon degradation potential of microbial genomes and metagenomes. Furthermore, sequence homology between hydrocarbon degradation genes and genes with other functions often results in misannotation. A tool that systematically identifies hydrocarbon metabolic potential is therefore needed. We present the Calgary approach to ANnoTating HYDrocarbon degradation genes (CANT-HYD), a database containing HMMs of 37 marker genes involved in anaerobic and aerobic degradation pathways of aliphatic and aromatic hydrocarbons. Using this database, we show that hydrocarbon metabolic potential is widespread in the tree of life and identify understudied or overlooked hydrocarbon degradation potential in many phyla. We also demonstrate scalability by analyzing large metagenomic datasets for the prediction of hydrocarbon utilization in diverse environments. To the best of our knowledge, CANT-HYD is the first comprehensive tool for robust and accurate identification of marker genes associated with aerobic and anaerobic hydrocarbon degradation.

Summary paragraph The deep biosphere is the largest microbial habitat on Earth and features abundant bacterial endospores 1,2 . Whereas dormancy and survival at theoretical energy minima are hallmarks of subsurface microbial populations 3 , the roles of fundamental ecological processes like dispersal and selection in these environments are poorly understood 4 . Here we combine geophysics, geochemistry, microbiology and genomics to investigate biogeography in the subsurface, focusing on bacterial endospores in a deep-sea setting characterized by thermogenic hydrocarbon seepage. Thermophilic endospores in permanently cold seabed sediments above petroleum seep conduits were correlated with the presence of hydrocarbons, revealing geofluid-facilitated cell migration pathways originating in deep oil reservoirs. Genomes of thermophilic bacteria highlight adaptations to life in anoxic petroleum systems and reveal that these dormant populations are closely related to oil reservoir microbiomes from around the world. After transport out of the subsurface and into the deep-sea, thermophilic endospores re-enter the geosphere by sedimentation. Viable thermophilic endospores spanning the top several metres of the seabed correspond with total endospore counts that are similar to or exceed the global average. Burial of dormant cells enables their environmental selection in sedimentary formations where new petroleum systems establish, completing a geological microbial loop that circulates living biomass in and out of the deep biosphere.

Abstract Cyanobacteria form dense multicellular communities that experience transient conditions in terms of access to light and oxygen. These systems are productive but also undergo substantial biomass turnover, supplementing heightened heterotrophic respiration and oxygen drawdown. Here we use metagenomics and metaproteomics to survey the cellular response of a mat-forming cyanobacterium undergoing mass cell lysis after exposure to dark and anoxic conditions. A lack of evidence for visral, bacterial, or eukaryotic antagonism contradicts commonly held beliefs on the causative agent for cyanobacterial death during dense growth. Instead, proteogenomics data indicated that lysis resulted from a genetically programmed response triggered by a failure to maintain osmotic pressure in the wake of severe energy limitation. Cyanobacterial DNA was rapidly degraded, yet cyanobacterial proteins remained abundant. A subset of proteins, including enzymes involved in amino acid metabolism, peptidases, toxin-antitoxin systems, and a potentially self-targeting CRISPR-Cas system, were upregulated upon lysis, indicating involvement in the programmed cell death response. We propose this natural form of programmed cell death could provide new pathways for controlling harmful algal blooms and for sustainable bioproduct production.

Abstract Microbiome analysis through 16S rRNA gene sequencing is a crucial tool for understanding the microbial ecology of any habitat or ecosystem. However, workflows require large equipment, stable internet, and extensive computing power such that most of the work is performed far away from sample collection in both space and time. Performing amplicon sequencing and analysis at sample collection would have positive implications in many instances including remote fieldwork and point-of-care medical diagnoses. Here we present SituSeq , an offline and portable workflow for the sequencing and analysis of 16S rRNA gene amplicons using the Nanopore MinION and a standard laptop computer. SituSeq was validated using the same environmental DNA to sequence Nanopore 16S rRNA gene amplicons, Illumina 16S rRNA gene amplicons, and Illumina metagenomes. Comparisons revealed consistent community composition, ecological trends, and sequence identity across platforms. Correlation between the abundance of phyla in Illumina and Nanopore data sets was high (Pearson’s r = 0.9), and over 70% of Illumina 16S rRNA gene sequences matched a Nanopore sequence with greater than 97% sequence identity. On board a research vessel on the open ocean, SituSeq was used to analyze amplicon sequences from deep sea sediments less than two hours after sequencing, and eight hours after sample collection. The rapidly available results informed decisions about subsequent sampling in near real-time while the offshore expedition was still underway. SituSeq is a portable and robust workflow that helps to bring the power of microbial genomics and diagnostics to many more researchers and situations.

Cyanobacteria are central to biogeochemical cycling, climate change, and eutrophication. While they readily develop associations with environmental microorganisms, the question of whether they consistently recruit specific microbiomes remains unresolved. Here, we established in vitro cyanobacterial consortia by inoculating five different cyanobacterial strains with microbiomes from three freshwater environments to determine if similar non-cyanobacterial organisms were recruited into stable cyanobacteria-based communities. Using amplicon and genome-resolved metagenomic methods we determined that stable cyanobacterial communities largely share the same taxa, regardless of the host cyanobacterial species or inoculation source. Specifically, we identified a 25 species core microbiome, which was significantly enriched in functions for micronutrient biosynthesis, metabolite transport/exchange, and anoxygenic photosynthesis. Furthermore, core species were enriched in putative mobile genetic elements, including two large (> 100 kb) circularized and curated plasmids, encoding functions that may support cyanobacteria-heterotroph symbioses. The consistency observed across these systems indicate that cyanobacterial consortia maintained under similar conditions converge to a predictable structure, and support a core microbiome with taxonomic and functional similarity to core microbiomes of other phototroph-heterotroph symbiotic assemblages.

In alkaline soda lakes, high concentrations of dissolved carbonates establish an environment favouring productive phototrophic microbial mat communities. Here we show how different species of microbial phototrophs and autotrophs contribute to this exceptional productivity. Four years of amplicon and shotgun DNA sequencing data from microbial mats from four different lakes indicated the presence of over 2,000 different species of Bacteria and Eukaryotes. Metagenome-assembled-genomes were obtained for a core microbiome of <100 abundant bacteria, which was shared among lakes and accounted for half of the extracted DNA throughout the four year sampling period. Most of the associated species were related to similar microbes previously detected in sediments of Central Asian alkaline soda lakes, showing that common selection principles drive community assembly from a globally distributed reservoir of alkaliphile biodiversity. Dispersal events between the two distant lake systems were shown to be extremely rare, with dispersal rates a function of abundance in microbial mats, but not sediments. Detection of more than 7,000 expressed proteins showed how phototrophic populations allocated resources to specific processes and occupied complementary niches. Carbon fixation only proceeded by the Calvin-Benson-Bassham cycle, detected in Cyanobacteria, Alphaproteobacteria, and, suprisingly, Gemmatomonadetes. Our study not only provides new fundamental insight into soda lake ecology, but also provides a template, guiding future efforts to engineer robust and productive biotechnology for carbon dioxide conversion.