Cyanobacterial blooms occur in lakes worldwide, producing toxins that pose a serious public health threat.Eutrophication caused by human activities and warmer temperatures both contribute to blooms, but it is still difficult to predict precisely when and where blooms will occur.One reason that prediction is so difficult is that blooms can be caused by different species or genera of cyanobacteria, which may interact with other bacteria and respond to a variety of environmental cues.Here we used a deep 16S amplicon sequencing approach to profile the bacterial community in eutrophic Lake Champlain over time, to characterize the composition and repeatability of cyanobacterial blooms, and to determine the potential for blooms to be predicted based on time-course sequence data.Our analysis, based on 135 samples between 2006 and 2013, spans multiple bloom events.We found that bloom events significantly alter the bacterial community without reducing overall diversity, suggesting that a distinct microbial communityincluding non-cyanobacteria -prospers during the bloom.We also observed that the community changes cyclically over the course of a year, with a repeatable pattern from year to year.This suggests that, in principle, bloom events are predictable.We used probabilistic assemblages of OTUs to characterize the bloom-associated community, and to classify samples into bloom or non-bloom categories, achieving up to 92% classification accuracy (86% after excluding cyanobacterial sequences).Finally, using symbolic regression, we were able to predict the start date of a bloom with 78-92% accuracy (depending on the data used for model training), and found that sequence data was a better predictor than environmental variables..

Abstract Cyanobacteria from the genus Microcystis can form large mucilaginous colonies with attached heterotrophic bacteria – their microbiome. However, the nature of the relationship between Microcystis and its microbiome remains unclear. Is it a long-term, evolutionarily stable association? Which partners benefit? Here we report the genomic diversity of 109 individual Microcystis colonies – including cyanobacteria and associated bacterial genomes – isolated in situ and without culture from Lake Champlain, Canada and Pampulha Reservoir, Brazil. We found 14 distinct Microcystis genotypes from Canada, of which only two have been previously reported, and four genotypes specific to Brazil. Microcystis genetic diversity was much greater between than within colonies, consistent with colony growth by clonal expansion rather than aggregation of Microcystis cells. We also identified 72 bacterial species in the microbiome. Each Microcystis genotype had a distinct microbiome composition, and more closely-related genotypes had more similar microbiomes. This pattern of phylosymbiosis could be explained by co-phylogeny in two out of the nine most prevalent associated bacterial genera, Roseomonas and Rhodobacter , suggesting long-term evolutionary associations. Roseomonas and Rhodobacter genomes encode functions which could complement the metabolic repertoire of Microcystis , such as cobalamin and carotenoid biosynthesis, and nitrogen fixation. In contrast, other colony-associated bacteria showed weaker signals of co-phylogeny, but stronger evidence of horizontal gene transfer with Microcystis . These observations suggest that acquired genes are more likely to be retained in both partners ( Microcystis and members of its microbiome) when they are loosely associated, whereas one gene copy is sufficient when the association is physically tight and evolutionarily long-lasting.

Microcystis is a genus of freshwater cyanobacteria which causes harmful blooms in ecosystems worldwide. Some Microcystis strains produce harmful toxins such as microcystin, impacting drinking water quality. Microcystis colony morphology, rather than genetic similarity, is often used to classify Microcystis into morphospecies. However, colony morphology is a plastic trait which can change depending on environmental and laboratory culture conditions, and is thus an inadequate criterion for species delineation. Furthermore, Microcystis populations are thought to disperse globally and constitute a homogeneous gene pool. However, this assertion is based on relatively incomplete characterization of Microcystis genomic diversity. To better understand these issues, we performed a population genomic analysis of 33 newly sequenced genomes (of which 19 were resequenced to check for mutation in culture) mainly from Canada and Brazil. We identified eight Microcystis clusters of genomic similarity, only four of which correspond to named morphospecies and monophyletic groups. Notably, M. aeruginosa is paraphyletic, distributed across four genomic clusters, suggesting it is not a coherent species. Most monophyletic groups are specific to a unique geographic location, suggesting biogeographic structure over relatively short evolutionary time scales. Higher homologous recombination rates within than between clusters further suggest that monophyletic groups might adhere to a Biological Species-like concept, in which barriers to gene flow maintain species distinctness. However, certain genes -- including some involved in microcystin and micropeptin biosynthesis -- are recombined between monophyletic groups in the same geographic location, suggesting local adaptation. Together, our results show the importance of using genomic criteria for Microcystis species delimitation and suggest the existence of locally adapted lineages and genes.

ABSTRACT Agrochemicals often contaminate freshwater bodies, affecting microbial communities that underlie aquatic food webs. For example, Roundup, a widely-used glyphosate-based herbicide (GBH), has the potential to indirectly select for antibiotic resistant bacteria. Such cross-selection could occur, for example, if the same genes ( e . g . encoding efflux pumps) confer resistance to both glyphosate and antibiotics. To test for cross-resistance in natural aquatic bacterial communities, we added Roundup to 1,000-L mesocosms filled with water from a pristine lake. Over 57 days, we tracked changes in bacterial communities with shotgun metagenomic sequencing, and annotated metagenome-assembled genomes (MAGs) for the presence of known antibiotic resistance genes (ARGs), plasmids, and resistance mutations in the enzyme targeted by glyphosate (enolpyruvyl-shikimate-3-phosphate synthase; EPSPS). We found that high doses of GBH significantly increased ARG frequency and selected for multidrug efflux pumps in particular. The relative abundance of MAGs after a high dose of GBH was predictable based on the number of ARGs encoded in their genomes (17% of variation explained) and, to a lesser extent, by resistance mutations in EPSPS. Together, these results indicate that GBHs have the potential to cross-select for antibiotic resistance in natural freshwater bacteria. IMPORTANCE Glyphosate-based herbicides (GBHs) such as Roundup may have the unintended consequence of selecting for antibiotic resistance genes (ARGs), as demonstrated in previous experiments. However, the effects of GBHs on ARGs remains unknown in natural aquatic communities, which are often contaminated with pesticides from agricultural runoff. Moreover, the resistance provided by ARGs compared to canonical mutations in the glyphosate target enzyme, EPSPS, remains unclear. Here we used freshwater mesocosm experiments to show that GBHs strongly select for ARGs, particularly multidrug efflux pumps. These selective effects are evident after just a few days, and at glyphosate concentrations that are high but still within short-term (1-4 day) regulatory limits. The ability of bacteria to survive and thrive after GBH stress was predictable by the number of ARGs in their genomes, and to a lesser extent by mutations in EPSPS. GBHs are therefore likely to select for higher ARG frequencies in natural streams, lakes, and ponds.

Cholera is a severe, waterborne diarrheal disease caused by toxin-producing strains of the bacterium Vibrio cholerae. Comparative genomics has revealed "waves" of cholera transmission and evolution, in which clones are successively replaced over decades and centuries. However, the extent of V. cholerae genetic diversity within an epidemic or even within an individual patient is poorly understood. Here, we characterized V. cholerae genomic diversity at a micro-epidemiological level within and between individual patients from Bangladesh and Haiti. To capture within-patient diversity, we isolated multiple (8 to 20) V. cholerae colonies from each of eight patients, sequenced their genomes and identified point mutations and gene gain/loss events. We found limited but detectable diversity at the level of point mutations within hosts (zero to three single nucleotide variants within each patient), and comparatively higher gene content variation within hosts (at least one gain/loss event per patient, and up to 103 events in one patient). Much of the gene content variation appeared to be due to gain and loss of phage and plasmids within the V. cholerae population, with occasional exchanges between V. cholerae and other members of the gut microbiota. We also show that certain intra-host variants have phenotypic consequences. For example, the acquisition of a Bacteroides plasmid and nonsynonymous mutations in a sensor histidine kinase gene both reduced biofilm formation, an important trait for environmental survival. Together, our results show that V. cholerae is measurably evolving within patients, with possible implications for disease outcomes and transmission dynamics.

ABSTRACT H. influenzae causes common and sometimes severe pediatric disease including chronic obstructive respiratory disease, otitis media, and infections of the central nervous system. Serotype b strains, with a b-type capsule, have been the historical cause of invasive disease, and the introduction of a serotype b-specific vaccine has led to their decline. However, unencapsulated or non-b-type H. influenzae infections are not prevented by the vaccine and appear to be increasing in frequency. Here we report two pediatric cases of severe central nervous system H. influenzae infection presenting to the same hospital in San Diego, California during the same week in January 2016. Due to good vaccine coverage in this part of the world, H. influenzae cases are normally rare and seeing two cases in the same week was unexpected. We thus suspected a recent transmission chain, and possible local outbreak. To test this hypothesis, we isolated and sequenced whole genomes from each patient and placed them in a phylogenetic tree spanning the known diversity of H. influenzae . Surprisingly, we found that the two isolates (H1 and H2) belonged to distantly related lineages, suggesting two independent transmission events and ruling out a local outbreak. Despite being distantly related, H1 and H2 belong to two different lineages that appear to engage in frequent horizontal gene transfer (HGT), suggesting overlapping ecological niches. Together, our comparative genomic analysis supports a scenario in which an f-type ancestor of H2 arrived in North America around 2011 and acquired an a-type capsule by recombination (HGT) with a recent ancestor of H1. Therefore, as in other bacterial pathogens, capsule switching by HGT may be an important evolutionary mechanism of vaccine evasion in H. influenzae . OUTCOME Two cases of severe central nervous system H. influenzae infection occurred during the same week in the same hospital in San Diego, California – a region where such infections are usually very rare due to vaccine coverage. We thus suspected a local outbreak of an H. influenzae clone not covered by the vaccine. Using whole genome sequencing and phylogenetic analysis of two isolates (H1 and H2, one from each patient), we found that they were distantly related, rapidly ruling out a local outbreak and suggesting independent transmission events. This result highlights the potential for rapid global spread of non-vaccine H. influenzae strains. In this case, both H1 and H2 both encoded a-type capsules, whereas the vaccine targets b-type capsules. We also present comparative genomic evidence that a recent f-type ancestor of H2 acquired an a-type capsule locus from a recent ancestor of H1, and that this horizontal gene transfer (HGT) event likely happened in the past decade in North America, but probably not in the San Diego hospital. These results highlight the potential importance of HGT in the capsule locus in allowing H. influenzae to escape vaccine coverage. DATA SUMMARY H. influenzae H1 and H2 genome sequences have been deposited in NCBI under BioProject PRJNA534512. CONFLICT OF INTEREST STATEMENT The authors declare that they have no conflict of interest to report.