Abstract Lakes are heterogenous ecosystems inhabited by a rich microbiome whose genomic diversity is poorly defined. We present a continental-scale study of metagenomes representing 6.5 million km 2 of the most lake-rich landscape on Earth. Analysis of 308 Canadian lakes resulted in a metagenome-assembled genome (MAG) catalogue of 1,008 mostly novel bacterial genomospecies. Lake trophic state was a leading driver of taxonomic and functional diversity among MAG assemblages, reflecting the responses of communities profiled by 16S rRNA amplicons and gene-centric metagenomics. Coupling the MAG catalogue with watershed geomatics revealed terrestrial influences of soils and land use on assemblages. Agriculture and human population density were drivers of turnover, indicating detectable anthropogenic imprints on lake bacteria at the continental scale. The sensitivity of bacterial assemblages to human impact reinforces lakes as sentinels of environmental change. Overall, the LakePulse MAG catalogue greatly expands the freshwater genomic landscape, advancing an integrative view of diversity across Earth’s microbiomes.

Abstract Molecular genetic approaches applied to environmental DNA have great potential for biodiversity research and ecosystem monitoring. A metagenome contains genetic information from all organisms captured in an environmental sample. It has been primarily used to study bacteria and archaea, but promising reports focusing on metazoan diversity are emerging. However, methodological uncertainties remain, and studies are required to validate the power and the limitations of such an approach when applied to macro-eukaryotes. Here, we analyzed water sample metagenomes to estimate zooplankton diversity in 22 freshwater lakes across Eastern Canada. We tested the coherence of data based on morphologically identified zooplankton taxa and molecular genetic data derived from shotgun sequencing of environmental DNA collected at the same time. RV coefficients showed a significant correlation between the relative abundance of zooplankton families derived from small subunit rRNA genes extracted from the metagenomes and morphologically identified zooplankton. However, differences in congruence with morphological counts were detected when varied bioinformatic approaches were applied to presence-absence data. This study presents one of the first diversity assessments of a group of aquatic metazoans using metagenomes and validates the coherence of the community composition derived from genetic and classical species surveys. Overall, our results suggest that metagenomics has the potential to be further developed to describe metazoan biodiversity in aquatic ecosystems, and to advance this area we provide key recommendations for workflow improvement.

Abstract Protists play key roles in aquatic food webs as primary producers, predators, nutrient recyclers, and symbionts. Yet, a comprehensive view of protist diversity in freshwaters has been challenged by the immense environmental heterogeneity among lakes worldwide. We assessed protist diversity in the surface waters of 366 freshwater lakes across a north temperate to subarctic extent covering nearly 8.4 million km 2 of Canada. Sampled lakes represented broad gradients in size, trophic state, and watershed land use. Hypereutrophic lakes contained the least diverse and most distinct protist communities relative to nutrient-poor lakes. Greater taxonomic variation among eutrophic lakes was mainly a product of heterotroph and mixotroph diversity, whereas phototroph assemblages were more similar under high- nutrient conditions. Overall, local physicochemical factors, particularly ion and nutrient concentrations, elicited the strongest responses in community structure, far outweighing the effects of geographic gradients. Despite their contrasting distribution patterns, obligate phototroph and heterotroph turnover was predicted by an overlapping set of environmental factors, while the metabolic plasticity of mixotrophs may have made them less predictable. Notably, protist diversity was associated with variation in watershed soil pH and agricultural crop coverage, pointing to human impact on the land-water interface that has not been previously identified in studies at smaller scales. Our study exposes the importance of both within-lake and external watershed characteristics in explaining protist diversity and biogeography, critical information in further developing an understanding of how freshwater lakes and their watersheds are impacted by anthropogenic stressors. Importance Freshwater lakes are experiencing rapid changes under accelerated anthropogenic stress and a warming climate. Microorganisms underpin aquatic food webs, yet little is known about how freshwater microbial communities are responding to human impact. Here, we assessed the diversity of protists and their myriad ecological roles in lakes varying in size across watersheds experiencing a range of land use pressures by leveraging data from a continental-scale survey of Canadian lakes. We found evidence of human impact on protist assemblages through an association with lake trophic state and extending to agricultural activity and soil characteristics in the surrounding watershed. Furthermore, trophic state appeared to explain the distributions of phototrophic and heterotrophic protists in contrasting ways. Our findings highlight the vulnerability of lake ecosystems to increased land use and the importance of assessing terrestrial interfaces to elucidate freshwater ecosystem dynamics.