Immunoglobulin A (IgA) is prominently secreted at mucosal surfaces and coats a fraction of the intestinal microbiota. However, the commensal bacteria bound by IgA are poorly characterized and the type of humoral immunity they elicit remains elusive. We used bacterial flow cytometry coupled with 16S rRNA gene sequencing (IgA-Seq) in murine models of immunodeficiency to identify IgA-bound bacteria and elucidate mechanisms of commensal IgA targeting. We found that residence in the small intestine, rather than bacterial identity, dictated induction of specific IgA. Most commensals elicited strong T-independent (TI) responses that originated from the orphan B1b lineage and from B2 cells, but excluded natural antibacterial B1a specificities. Atypical commensals including segmented filamentous bacteria and Mucispirillum evaded TI responses but elicited T-dependent IgA. These data demonstrate exquisite targeting of distinct commensal bacteria by multiple layers of humoral immunity and reveal a specialized function of the B1b lineage in TI mucosal IgA responses.

Programmed recognition of microbiota Increasingly, we recognize that the gut is a specialized organ for maintaining microbial symbioses alongside nutritional functions. The gut produces large quantities of immunoglobulin A (IgA), which adheres to the surface of gut microbes. Bunker et al. discovered that antibodies produced by naïve small intestinal plasma cells are recirculated and enriched within Peyer's patches, independently of exogenous antigen and T cell help. The resulting polyreactive IgAs are released into the gut lumen and bind to microbial surface glycans, thus innately recognizing the gut microbiota. Polyreactive IgAs appear to be a product of the coevolution of host and microbiota to maintain symbiotic homeostasis. Science , this issue p. eaan6619

A tenet of geomicrobiology is that anaerobic life in the subsurface arranges itself into zones, according to a thermodynamic ladder. Iron reducers, given access to ferric minerals, use their energetic advantage to preclude sulfate reduction. Sulfate reducers exclude methanogens in the same way, by this tenet, wherever the environment provides sulfate. Examining usable energy---the energy in excess of a cell9s internal stores---in subsurface environments, we find that in groundwater of near neutral pH the three functional groups see roughly equivalent amounts. Iron reducers hold a clear energetic advantage under acidic conditions, but may be unable to grow in alkaline environments. The calculations fail to identify a fixed thermodynamic hierarchy among the groups. In long-term bioreactor experiments, usable energy did not govern microbial activity. Iron reducers and sulfate reducers, instead of competing for energy, entered into a tightly balanced mutualistic relationship. Results of the study show thermodynamics does not invariably favor iron reducers relative to sulfate reducers, which in turn do not necessarily have an energetic advantage over methanogens. The distribution of microbial life in the subsurface is controlled by ecologic and physiologic factors, and cannot be understood in terms of thermodynamics alone.

Summary The deep subsurface contains a vast reservoir of microbial life. While recent studies have revealed critical details about this biosphere including the sheer diversity of microbial taxa and their metabolic potential, long-term monitoring of deep subsurface microbial populations is rare, thus limiting our understanding of subsurface microbial population dynamics. Here we present a four-year time series analysis of subsurface microbial life from the Deep Mine Microbial Observatory (DeMMO), Lead, SD, USA. We find distinct and diverse populations inhabiting each of 6 sites over this ~1.5 km deep slice of terrestrial crust, corresponding to distinct geochemical habitats. Alpha diversity decreases with depth and beta diversity measures clearly differentiate samples by site over time, even during substantial perturbations. Population dynamics are driven by a subset of variable (and often relatively abundant) OTUs, but the vast majority of detected OTUs are stable through time, constituting a core microbial community. The phylogenetic affiliations of both stable and variable taxa, including putative sulfate reducers, methanogens, spore formers, and many uncultivated lineages, are similar to those found previously in subsurface environments. This work reveals the dynamic nature of the terrestrial subsurface, contributing to a more holistic understanding than can be achieved when viewing shorter timeframes. Originality-Significance Statement This four-year record of deep mine microbial diversity and geochemistry is the first of its kind and allows for direct investigation of temporal trends in deep subsurface biogeochemistry. We identify disparate populations of variable and stable taxa, suggesting the presence of a core deep subsurface microbiome with unique niche partitioning.

Abstract Several pyridine derivatives including the pesticide nitrapyrin [2-chloro-6-(trichloromethyl) pyridine] are strong inhibitors of methane monooxygenase, a key enzyme of aerobic methane (CH 4 ) oxidation. In this study we examined the effects of 2-chloro-6-methylpyridine (2C6MP) concentration on aerobic CH 4 oxidation and the development of populations of putative methanotrophs in sediment from Old Woman Creek, a freshwater estuary in Huron Co., Ohio. Experimental systems were prepared in serum bottles containing minimal medium with a headspace containing 20% O 2 and 10% CH 4 . The microcosms were spiked with 2C6MP to achieve concentrations of 0, 0.1, 1, or 10 mM and inoculated with sediment. When headspace CH 4 concentrations decreased from 10% to < 2%, subsamples were taken for DNA extraction and sequencing of 16S rRNA gene amplicons. There was minimal effect of 2C6MP on CH 4 oxidation at concentrations of 0.1, and 1 mM, but complete inhibition for > 20 months was observed at 10 mM. ANOSIM of weighted UniFrac distances between groups of triplicate samples supported a primary distinction of the inoculum relative to the enrichments (R=0.999) and a secondary distinction between bottles containing 2C6MP versus those without (R=0.464 [0.1 mM]; R=0.894 [1 mM]). The inoculum was dominated by members of the Proteobacteria (49.9±1.5%), and to a lesser extent by Bacteroidetes (8.8±0.2%), Acidobacteria (8.9±0.4%), and Verrucomicrobia (4.4±0.3%). In enrichments with or without 2C6MP, Proteobacteria expanded to comprise 65–70% of the total. In the absence of inhibitor, members of the Methylococcaceae and Methylophilaceae increased in relative abundance from < 0.1% of the inoculum to 8.5±1.0% and 13.4±2.3%, of the total community respectively. At both 0.1 and 1 mM concentrations of the inhibitor, the Methylococcaceae were much less abundant, representing 3.3±0.5% and 2.8±3.3% respectively. No inhibition of the Methylophilaceae was seen at the lower concentration of 2C6MP, but at the higher concentration this taxon was only 7.8±1.1% of the total. In contrast, members of the Crenotrichaceae , another group of methane oxidizers, increased in relative abundance with greater amounts of inhibitor, representing 8.6±3.6% of the total at 0.1 mM and 12.0±4.5% at 1 mM, compared to only 4.1±0.4% when no inhibitor was present. These results clearly show changes in the populations of putative aerobic methanotrophs relative to the amount of 2C6MP present.

Microbial fatty acids preserve metabolic and environmental information in their hydrogen isotope ratios (2H/1H). This ratio is influenced by parameters that include the 2H/1H of water in the microbial growth environment, and biosynthetic fractionations between water and lipid. In some microbes, this biosynthetic fractionation has been shown to vary systematically with central energy metabolism, and controls on fatty acid 2H/1H may be linked to the intracellular production of NADPH. We examined the apparent fractionation between media water and the fatty acids produced by Desulfovibrio alaskensis G20. Growth was in batch culture with malate as an electron donor for sulfate respiration, and with pyruvate and fumarate as substrates for fermentation and for sulfate respiration. A larger fractionation was observed as a consequence of respiratory or fermentative growth on pyruvate than growth on fumarate or malate. This difference correlates with opposite apparent flows of electrons through the electron bifurcating/confurcating transhydrogenase NfnAB. When grown on malate or fumarate, mutant strains of D. alaskensis G20 containing transposon disruptions in a copy of nfnAB show different fractionations than the wild type strain. This phenotype is muted during fermentative growth on pyruvate, and it is absent when pyruvate is a substrate for sulfate reduction. All strains and conditions produced similar fatty acid profiles, and the 2H/1H of individual lipids changed in concert with the mass-weighted average. Unsaturated fatty acids were generally depleted in 2H relative to their saturated homologues, and anteiso- branched fatty acids were generally depleted in 2H relative to straight-chain fatty acids. Fractionation correlated with growth rate, a pattern that has also been observed in the fractionation of sulfur isotopes during dissimilatory sulfate reduction by sulfate reducing bacteria.

Here we seek to test the extent to which laboratory enrichments mimic natural community processes and the degree to which the initial structure of a community determines its response to a press disturbance via the addition of environmentally-relevant carbon compounds. By utilizing aerobic substrate arrays to examine the effect of carbon amendment on microbial communities taken from six distinct environments (soil from a temperate prairie and forest, tropical forest soil, subalpine forest soil, and surface water and soil from a palustrine emergent wetland), we examined how carbon amendment and inoculum source shape the composition of the community in each enrichment. Dilute subsamples from each environment were used to inoculate 96-well microtiter plates containing triplicate wells amended with one of 31 carbon sources from 6 different classes of organic compound (phenols, polymers, carbohydrates, carboxylic acids, amines, amino acids). After incubating each well aerobically in the dark for 72 hours, we analyzed the composition of the microbial communities on the substrate arrays as well as the initial inocula by sequencing 16S rRNA gene amplicons using the Illumina MiSeq platform. Comparisons of alpha and beta diversity in these systems showed that, while the composition of the communities that grow to inhabit the wells in each substrate array diverges sharply from that of the original community in the inoculum, these enrichment communities are still is strongly affected by the inoculum source. We found most enrichments were dominated by one or several OTUs most closely related to aerobes or facultative anaerobes from the Proteobacteria (e.g. Pseudomonas, Burkholderia, and Ralstonia) or Bacteroidetes (e.g. Chryseobacterium). Comparisons within each substrate array based on the class of carbon source further show that the communities inhabiting wells amended with a carbohydrate differ significantly from those enriched with a phenolic compound. Niche selection therefore seems to play a strong role in shaping the communities in the substrate arrays, although some stochasticity is seen whereby several replicate wells within a single substrate array display strongly divergent community compositions. Overall, the use of highly parallel substrate arrays offers a promising path forward to study the response of microbial communities to a changing environment.