Symbioses between bacteria and eukaryotes are ubiquitous, yet our understanding of the interactions driving these associations is hampered by our inability to cultivate most host-associated microbes. Here we use a metagenomic approach to describe four co-occurring symbionts from the marine oligochaete Olavius algarvensis, a worm lacking a mouth, gut and nephridia. Shotgun sequencing and metabolic pathway reconstruction revealed that the symbionts are sulphur-oxidizing and sulphate-reducing bacteria, all of which are capable of carbon fixation, thus providing the host with multiple sources of nutrition. Molecular evidence for the uptake and recycling of worm waste products by the symbionts suggests how the worm could eliminate its excretory system, an adaptation unique among annelid worms. We propose a model that describes how the versatile metabolism within this symbiotic consortium provides the host with an optimal energy supply as it shuttles between the upper oxic and lower anoxic coastal sediments that it inhabits.

Termites effectively feed on many types of lignocellulose assisted by their gut microbial symbionts. To better understand the microbial decomposition of biomass with varied chemical profiles, it is important to determine whether termites harbor different microbial symbionts with specialized functionalities geared toward different feeding regimens. In this study, we compared the microbiota in the hindgut paunch of Amitermes wheeleri collected from cow dung and Nasutitermes corniger feeding on sound wood by 16S rRNA pyrotag, comparative metagenomic and metatranscriptomic analyses. We found that Firmicutes and Spirochaetes were the most abundant phyla in A. wheeleri, in contrast to N. corniger where Spirochaetes and Fibrobacteres dominated. Despite this community divergence, a convergence was observed for functions essential to termite biology including hydrolytic enzymes, homoacetogenesis and cell motility and chemotaxis. Overrepresented functions in A. wheeleri relative to N. corniger microbiota included hemicellulose breakdown and fixed-nitrogen utilization. By contrast, glycoside hydrolases attacking celluloses and nitrogen fixation genes were overrepresented in N. corniger microbiota. These observations are consistent with dietary differences in carbohydrate composition and nutrient contents, but may also reflect the phylogenetic difference between the hosts.

Abstract Identifying genes involved in genetic incompatibilities causing hybrid sterility or inviability is a long-standing challenge in speciation research, especially in studies based on natural hybrid zones. Here we present the first high-probability candidate genes for hybrid male sterility in birds by using a combination of whole genome sequence data, histology sections of testis and single cell transcriptomics of testis samples from male pied-, collared-, and hybrid flycatchers. We reveal failure of meiosis in hybrid males and propose candidate genes involved in genetic incompatibilities causing this failure. Based on identification of genes with non-synonymous fixed differences between the two species and revealing miss-expression patterns of these genes across the various stages of hybrid male spermatogenesis we conclude aberrant chromosome segregation and/or faulty chromatin packing. A lower proportion of spermatids produced by hybrid males implies that a proportion of the aberrant spermatids undergo apoptosis. Finally, we report an overrepresentation of Z-linkage of the revealed candidate incompatibility genes. Our results challenge the assumption that speciation processes are driven by fast evolving genes by showing that a few changes in genes with highly conserved and central functions may quickly ensure reproductive isolation through post-zygotic isolation.

Abstract Spermatogenesis is a complex process where spermatogonia develop into haploid, mobile sperm cells. The genes guiding this process are subject to an evolutionary trade-off between preserving basic functions of sperm while acquiring new traits ensuring advantages in competition over fertilization of female gametes. In species with XY sex chromosomes, the outcome of this trade-off is found to vary across the stages of spermatogenesis but remains unexplored for species with ZW sex chromosomes. Here we characterize avian spermatogenesis at single cell resolution from testis of collared and pied flycatchers. We find evidence for relaxed evolutionary constraint of genes expressed in spermatocyte cells going through meiosis. An overrepresentation of Z-linked differentially expressed genes between the two species at this stage suggests that this relaxed constraint is associated with the lack of sex-chromosome silencing during meiosis. We conclude that the high throughput of bird spermatogenesis, at least partly, is explained by relaxed developmental constraint.

Summary Morphological characters and nuclear ribosomal DNA (rDNA) phylogenies have so far been the basis of the current classifications of arbuscular mycorrhizal (AM) fungi. Improved understanding of the phylogeny and evolutionary history of AM fungi requires extensive ortholog sampling and analyses of genome and transcriptome data from a wide range of taxa. To circumvent the need for axenic culturing of AM fungi we gathered and combined genomic data from single nuclei to generate de novo genome assemblies covering seven families of AM fungi. Comparative analysis of the previously published Rhizophagus irregularis DAOM197198 assembly confirm that our novel workflow generates high-quality genome assemblies suitable for phylogenomic analysis. Predicted genes of our assemblies, together with published protein sequences of AM fungi and their sister clades, were used for phylogenomic analyses. Based on analyses of sets of orthologous genes, we highlight three alternative topologies among families of AM fungi. In the main topology, Glomerales is polyphyletic and Claroideoglomeraceae, is the basal sister group to Glomeraceae and Diversisporales. Our results support family level classification from previous phylogenetic studies. New evolutionary relationships among families where highlighted with phylogenomic analysis using the hitherto most extensive taxon sampling for AM fungi.

Summary DNA methylation is a central epigenetic mark that has diverse roles in gene regulation, development, and maintenance of genome integrity. 5 methyl cytosine (5mC) can be interrogated at base resolution in single cells by using bisulfite sequencing (scWGBS). Several different scWGBS strategies have been described in recent years to study DNA methylation in single cells. However, there remain limitations with respect to cost-efficiency and yield. Herein, we present a new development in the field of scWGBS library preparation; single cell Splinted Ligation Adapter Tagging (scSPLAT). scSPLAT employs a pooling strategy to facilitate sample preparation at a higher scale and throughput than previously possible. We demonstrate the accuracy and robustness of the method by generating data from 225 single K562 cells and from 309 single liver nuclei and compare scSPLAT against other scWGBS methods. Motivation scWGBS library preparation in a one-cell-per-library format presents practical and economical constraints to the number of cells that can be analyzed in a research project. In addition, most of the current scWGBS methods suffer from low read alignment rates. We present a scWGBS protocol which mitigates these issues, empowering single-cell DNA methylation analysis at an increased scale.

A large proportion of Earth's biodiversity constitutes organisms that cannot be cultured, have cryptic life-cycles and/or live submerged within their substrates[1][1]–[4][2]. Genomic data are key to unravel both their identity and function[5][3]. The development of metagenomic methods[6][4],[7][5] and the advent of single cell sequencing[8][6]–[10][7] have revolutionized the study of life and function of cryptic organisms by upending the need for large and pure biological material, and allowing generation of genomic data from complex or limited environmental samples. Genome assemblies from metagenomic data have so far been restricted to organisms with small genomes, such as bacteria[11][8], archaea[12][9] and certain eukaryotes[13][10]. On the other hand, single cell technologies have allowed the targeting of unicellular organisms, attaining a better resolution than metagenomics[8][6],[9][11],[14][12]–[16][13], moreover, it has allowed the genomic study of cells from complex organisms one cell at a time[17][14],[18][15]. However, single cell genomics are not easily applied to multicellular organisms formed by consortia of diverse taxa, and the generation of specific workflows for sequencing and data analysis is needed to expand genomic research to the entire tree of life, including sponges[19][16], lichens[3][17],[20][18], intracellular parasites[21][19],[22][20], and plant endophytes[23][21],[24][22]. Among the most important plant endophytes are the obligate mutualistic symbionts, arbuscular mycorrhizal (AM) fungi, that pose an additional challenge with their multinucleate coenocytic mycelia[25][23]. Here, the development of a novel single nuclei sequencing and assembly workflow is reported. This workflow allows, for the first time, the generation of reference genome assemblies from large scale, unbiased sorted, and sequenced AM fungal nuclei circumventing tedious, and often impossible, culturing efforts. This method opens infinite possibilities for studies of evolution and adaptation in these important plant symbionts and demonstrates that reference genomes can be generated from complex non-model organisms by isolating only a handful of their nuclei. [1]: #ref-1 [2]: #ref-4 [3]: #ref-5 [4]: #ref-6 [5]: #ref-7 [6]: #ref-8 [7]: #ref-10 [8]: #ref-11 [9]: #ref-12 [10]: #ref-13 [11]: #ref-9 [12]: #ref-14 [13]: #ref-16 [14]: #ref-17 [15]: #ref-18 [16]: #ref-19 [17]: #ref-3 [18]: #ref-20 [19]: #ref-21 [20]: #ref-22 [21]: #ref-23 [22]: #ref-24 [23]: #ref-25

Background: Prokaryotes dominate the biosphere and regulate biogeochemical processes essential to all life. Yet, our knowledge about their biology is for the most part limited to the minority that has been successfully cultured. Molecular techniques now allow for obtaining genome sequences of uncultivated prokaryotic taxa, facilitating in-depth analyses that may ultimately improve our understanding of these key organisms. Results: We compared results from two culture-independent strategies for recovering bacterial genomes: single-amplified genomes and metagenome-assembled genomes. Single-amplified genomes were obtained from samples collected at an offshore station in the Baltic Sea Proper and compared to previously obtained metagenome-assembled genomes from a time series at the same station. Among 16 single-amplified genomes analyzed, seven were found to match metagenome-assembled genomes, affiliated with a diverse set of taxa. Notably, genome pairs between the two approaches were nearly identical (>98.7% identity) across overlapping regions (30-80% of each genome). Within matching pairs, the single-amplified genomes were consistently smaller and less complete, whereas the genetic functional profiles were maintained. For the metagenome-assembled genomes, only on average 3.6% of the bases were estimated to be missing from the genomes due to wrongly binned contigs; the metagenome assembly was found to cause incompleteness to a higher degree than the binning procedure. Conclusions: The strong agreement between the single-amplified and metagenome-assembled genomes emphasizes that both methods generate accurate genome information from uncultivated bacteria. Importantly, this implies that the research questions and the available resources are allowed to determine the selection of genomics approach for microbiome studies.