Despite their importance to host health and development, the communities of microorganisms associated with humans and other animals are characterized by a large degree of unexplained variation across individual hosts. The processes that drive such inter-individual variation are not well understood. To address this, we surveyed the microbial communities associated with the intestine of the zebrafish, Danio rerio, over developmental time. We compared our observations of community composition and distribution across hosts with that predicted by a neutral assembly model, which assumes that community assembly is driven solely by chance and dispersal. We found that as hosts develop from larvae to adults, the fit of the model to observed microbial distributions decreases, suggesting that the relative importance of non-neutral processes, such as microbe-microbe interactions, active dispersal, or selection by the host, increases as hosts mature. We also observed that taxa which depart in their distributions from the neutral prediction form ecologically distinct sub-groups, which are phylogenetically clustered with respect to the full metacommunity. These results demonstrate that neutral processes are sufficient to generate substantial variation in microbiota composition across individual hosts, and suggest that potentially unique or important taxa may be identified by their divergence from neutral distributions.

The assembly of resident microbial communities is an important event in animal development; however, the extent to which this process mirrors the developmental programs of host tissues is unknown. Here we surveyed the intestinal bacteria at key developmental time points in a sibling group of 135 individuals of a model vertebrate, the zebrafish (Danio rerio). Our survey revealed stage-specific signatures in the intestinal microbiota and extensive interindividual variation, even within the same developmental stage. Microbial community shifts were apparent during periods of constant diet and environmental conditions, as well as in concert with dietary and environmental change. Interindividual variation in the intestinal microbiota increased with age, as did the difference between the intestinal microbiota and microbes in the surrounding environment. Our results indicate that zebrafish intestinal microbiota assemble into distinct communities throughout development, and that these communities are increasingly different from the surrounding environment and from one another.

Abstract Human-associated microbial communities differ in composition among body sites and between habitats within a site. Patterns of variation in the distribution of organisms across time and space is referred to as ‘biogeography’. The human oral cavity is a critical observatory for exploring microbial biogeography because it is spatially structured, easily accessible, and its microbiota has been linked to the promotion of both health and disease. The biogeographic features of microbial communities residing in spatially distinct but ecologically similar environments on the human body, including the subgingival crevice, have not yet been adequately explored. The purpose of this paper is twofold. First, we seek to provide the dental community with a primer on biogeographic theory, highlighting its relevance to the study of the human oral cavity. For this reason, we summarize what is known about the biogeographic variation of dental caries and periodontitis and postulate as to how this may be driven by spatial patterning in oral microbial community composition and structure. Second, we present a number of methods that investigators can use to test specific hypotheses using biogeographic theory. To anchor our discussion, we apply each method to a case study and examine the spatial variation of the human subgingival microbiota of 2 individuals. Our case study suggests that subgingival communities in the aggregate may conform to an anterior-to-posterior gradient in community composition. The gradient appears to be structured both by deterministic and non-deterministic processes, though additional work is needed to test and confirm specific hypotheses. A better understanding of biogeographic patterns and processes will advance our understanding of ways to optimize the efficacy of dental interventions targeting the oral microbiota.

Little is known about the relative contributions of selective and neutral forces on human-associated microbiota assembly. Here, we characterize microbial community assembly in 52 Tsimane infant-mother pairs, using longitudinally collected stool and tongue swab samples profiled with 16S rRNA gene amplicon sequencing. The Tsimane are an indigenous Bolivian population who practice infant care associated behaviors expected to increase mother-infant dispersal. Infant consumption of dairy products, vegetables, and chicha (a fermented drink inoculated with oral microbes) was significantly associated with gut microbiota composition. At both body sites, maternal microbes at higher relative abundance were more likely to be shared. Shared microbes were also higher in abundance in infants at both body sites, but decreased in average relative abundance with age and were not significantly higher by 12 months of age. Infant microbiotas were modeled using a neutral community model of assembly, which showed that the prevalence of more than two thirds of infant-colonizing microbes could be explained using neutral processes alone. The same method was applied to datasets from Finnish and Bangladeshi infants, confirming that the majority of microbes colonizing infants from different countries were neutrally distributed. Among the Tsimane infant and adult gut microbiota samples, neutral processes were less prominent in villages with more market access. These results underscore the importance of neutral processes during infant microbiota assembly, and suggest that cultural changes associated with market integration may be affecting traditional modes of microbiota assembly by decreasing the role of these neutral processes, perhaps through changes in diet, sanitation, or access to medical care.

Psychosocial environments impact normative behavioral development in children, increasing the risk of problem behaviors and psychiatric disorders across the lifespan. Converging evidence demonstrates early normative development is affected by the gut microbiome, which itself can be altered by early psychosocial environments. Nevertheless, these relationships are poorly understood in childhood, particularly beyond peri- and postnatal microbial colonization. To determine the gut microbiomes role in the associations between childhood adversity and behavioral development, we conducted a metagenomic investigation among cross-sectional sample of early school-aged children with a range of adverse experiences and caregiver stressors and relationships. Our results indicate that the taxonomic and functional composition of the gut microbiome links to behavioral dysregulation during a critical period of child development. Furthermore, our analysis reveals that both socioeconomic risk exposure and child behaviors associate with the relative abundances of specific taxa (e.g., Bacteroides and Bifidobacterium species) as well as functional modules encoded in their genomes (e.g., monoamine metabolism) that have been linked to cognition and health. We also identified heretofore novel linkages between gut microbiota, their functions, and behavior. These findings hold important translational implications for developmental psychology and microbiome sciences alike, as they suggest that caregiver behavior might mitigate the impact of socioeconomic risk on the microbiome and modify the relationship between subclinical symptoms of behavioral dysregulation and the gut microbiome in early school-aged children.

The core microbial community has been hypothesized to have essential functions ranging from maintaining health in animals to protection against plant disease. However, the identification of the core microbial community is frequently based on arbitrary thresholds, selecting only the most abundant microorganisms. Here, we developed and tested an approach to identify the core community based on a probabilistic model. The Poisson distribution was used to identify OTUs with a probable occurrence in every sample of a given dataset. We identified the core communities of four extensive microbial datasets, and compared the results with conventional, but arbitrary, methods. The datasets were composed of the microbiomes of humans (tongue, gut, and skin), mice (gut), plant (grapevine) tissue, and the maize rhizosphere. Our proposed method revealed core microbial communities with higher richness and diversity than those previously described. This method also includes a greater number of rare taxa in the core, which are often neglected by arbitrary threshold methods. We demonstrated that our proposed method revels a probable core microbial community for each different habitat, which extend our knowledge about shared microbial communities. Our proposed method may help the next steps proving the essential functions of core microbial communities.