Abstract Ruminants are critical to global food security as they transform lignocellulosic biomass into high-quality protein products. The rumen microbes ferment feed to provide necessary energy and nutrients for the ruminant host. However, we still lack insight into the metabolic processes encoded by most rumen microbial populations. In this study, we implemented metagenomic binning approaches to recover 2,809 microbial genomes from cattle, sheep, moose, deer, and bison. By clustering genomes based on average nucleotide identity, we demonstrate approximately one-third of the metagenome-assembled genomes (MAGs) to represent species not present in current reference databases and rumen microbial genome collections. Combining these MAGs with other rumen genomic datasets permitted a phylogenomic characterization of the biosynthetic gene clusters (BGCs) from 8,160 rumen microbial genomes, including the identification of 5,346 diverse gene clusters for nonribosomal peptide biosynthesis. A subset of Prevotella and Selenomonas BGCs had higher expression in steers with lower feed efficiency. Moreover, the microdiversity of BGCs was fairly constant across types of BGCs and cattle breeds. The reconstructed genomes expand the genomic representation of rumen microbial lineages, improve the annotation of multi-omics data, and link microbial populations to the production of secondary metabolites that may constitute a source of natural products for manipulating rumen fermentation.

Abstract Reconstructing microbial genomes from metagenomic short-read data can be challenging due to the unknown and uneven complexity of microbial communities. This complexity encompasses highly diverse populations which often includes strain variants. Reconstructing high-quality genomes is a crucial part of the metagenomic workflow as subsequent ecological and metabolic inferences depend on their accuracy, quality, and completeness. In contrast to microbial communities in other ecosystems, there has been no systematic assessment of genome-centric metagenomic workflows for drinking water microbiomes. In this study, we assessed the performance of a combination of assembly and binning strategies for time-series drinking water metagenomes that were collected over a period of 6 months. The goal of this study was to identify the combination of assembly and binning approaches that results in high quality and quantity metagenome-assembled genomes (MAGs), representing most of the sequenced metagenome. Our findings suggest that the metaSPAdes co-assembly strategies had the best performance as they resulted in larger and less fragmented assemblies with at least 85% of the sequence data mapping to contigs greater than 1kbp. Furthermore, a combination of metaSPAdes co-assembly strategies and MetaBAT2 produced the highest number of medium-quality MAGs while capturing at least 70% of the metagenomes based on read recruitment. Utilizing different assembly/binning approaches also assist in the reconstruction of unique MAGs from closely related species that would have otherwise collapsed into a single MAG using a single workflow. Overall, our study suggests that leveraging multiple binning approaches with different metaSPAdes co-assembly strategies may be required to maximize the recovery of good-quality MAGs, which more accurately capture the microbial diversity of drinking water samples.

Abstract Isoacids are branched ketoacids which when fed to ruminants have been shown to enhance the growth of fiber-digesting organisms. Ninety finishing gilts were individually fed dietary treatments consisting of diet type: corn-soybean meal (CSBM), a diet containing 40% distillers dried grains with solubles (DDGS), or a diet containing 40% sugar beet pulp (SBP); in combination with either no feed additive (CNT), the addition of 0.50% isobutyrate (IB), or the addition of a 0.88% mix of isobutyrate, isovalerate, and 2-methylbutyrate (MX). Gilts consumed an average of 2.171 kg/d over the 28-d trial. On d 26, fresh fecal samples were collected for determination of apparent total tract digestibility (ATTD) of gross energy (GE) and nitrogen (N), determination of fecal volatile fatty acids (VFA), and evaluation of microbial ecology. There was no interaction between diet type and isoacid addition, and no main effect of isoacid or diet type on alpha or Shannon microbial diversity measures (P > 0.05). There was no interaction between isoacid addition and diet type, and no main effect of isoacid addition on microbial beta diversity (P > 0.05), but differences were observed in microbial beta diversity due to diet type (P ≤ 0.05). There was no interaction between diet type and isoacid addition observed in fecal VFA concentrations (P > 0.05), with only minor differences in fecal VFA concentrations noted due to isoacid addition (P ≤ 0.05). The interaction between diet type and isoacid addition on ATTD of dietary GE and N (P ≤ 0.01) was largely because the addition of IB did not affect ATTD of GE or N in pigs fed the CSBM diet, but increased ATTD of GE and N in pigs fed diets containing DDGS and decreased the ATTD of GE and N in pigs fed diets containing SBP. In contrast, adding a blend of isoacids (i.e., MX) reduced the ATTD of GE and N, regardless of diet type. There was no interaction between diet type and isoacid addition, and no effect of isoacid addition was observed on pig performance (P > 0.05). Diet type did not affect ADG (P > 0.05), but pigs fed diets containing DDGS or SBP consumed less feed (P = 0.01) and exhibited greater GF ratios compared to pigs fed the low-fiber CSBM diet (P ≤ 0.05). In conclusion, there was little to no effect of isoacid addition on microbial ecology, fecal VFA concentrations, ATTD of GE or N, or pig performance, but the improvement in ATTD of GE and N in pigs fed diets containing DDGS when IB was added warrants further investigation.

Background & Aims: Adherent-invasive Escherichia coli (AIEC) are enriched in ileal Crohn's disease patients and implicated in disease etiology. However, AIEC pathogenesis is poorly understood, and it is unclear if the expansion of these organisms contributes to inflammatory bowel disease (IBD). Questions also remain as to what extent the various in vitro phenotypes used to classify AIEC are pathologically relevant. Methods: We utilized a combination of in vitro phenotyping and a murine model of intestinal inflammation to systematically relate AIEC phenotypes to pathogenicity for 30 mucosa-associated human-derived E. coli strains. In vitro assays used included survival/replication in and TNF-α production by J774 macrophages as well as invasion/replication in Caco2 intestinal epithelial cells. Results: AIEC do not form a phenotypic group that is clearly separated from non-AIEC. However, E. coli strains displaying in vitro AIEC phenotypes caused, on average, more severe intestinal inflammation. Survival/replication of strains in J774 and Caco2 cells were positively correlated with disease in vivo , while adherence to Caco2 cells and TNF-α production by J774 cells were not. Importantly, co-colonization with adherent non-AIEC strains ameliorated AIEC-mediated disease. Conclusion: Our findings do not support the existence of an AIEC pathovar that can be clearly separated from commensal E. coli . However, intracellular survival/replication phenotypes do contribute to murine intestinal inflammation, suggesting that the AIEC overgrowth observed in human IBD makes a causal contribution to disease. The ability to differentiate pathologically-relevant AIEC phenotypes from those that are not provides an important foundation for developing strategies to predict, diagnose and treat human IBD through characterizing and modulating patient E. coli populations.

Abstract Complete ammonia oxidizing bacteria coexist with canonical ammonia and nitrite oxidizing bacteria in a wide range of environments. Whether this is due to competitive or cooperative interactions, or a result of niche separation is not yet clear. Understanding the factors driving coexistence of nitrifiers is critical to manage nitrification processes occurring in engineered and natural ecosystems. In this study, microcosm-based experiments were used to investigate the impact of nitrogen source and loading on the population dynamics of nitrifiers in drinking water biofilter media. Shotgun sequencing of DNA followed by co-assembly and reconstruction of metagenome assembled genomes revealed clade A2 comammox bacteria were likely the primary nitrifiers within microcosms and increased in abundance over Nitrsomonas-like ammonia and Nitrospira-like nitrite oxidizing bacteria irrespective of nitrogen source type or loading. Changes in comammox bacterial abundance did not correlate with either ammonia or nitrite oxidizing bacterial abundance in urea amended systems where metabolic reconstruction indicated potential for cross feeding between ammonia and nitrite oxidizing bacteria. In contrast, comammox bacterial abundance demonstrated a negative correlation with nitrite oxidizers in ammonia amended systems. This suggests potentially weaker synergistic relationships between ammonia and nitrite oxidizers might enable comammox bacteria to displace nitrite oxidizers from complex nitrifying communities.

The discovery of the complete ammonia oxidizing (comammox) bacteria overturns the traditional two-organism nitrification paradigm which largely underpins the design and operation of nitrogen removal during wastewater treatment. Quantifying the abundance, diversity, and activity of comammox bacteria in wastewater treatment systems is important for ensuring a clear understanding of the nitrogen biotransformations responsible for ammonia removal. To this end, we conducted a yearlong survey of 14 full-scale nitrogen removal systems including mainstream conventional and simultaneous nitrification-denitrification and side-stream partial nitrification-anammox systems with varying process configurations. Metagenomics and genome-resolved metagenomics identified comammox bacteria in mainstream conventional and simultaneous nitrification-denitrification systems, with no evidence for their presence in side-stream partial nitrification-anammox systems. Further, comammox bacterial diversity was restricted to clade A and these clade A comammox bacteria were detected in systems with long solids retention times (>10 days) and/or in the attached growth phase. Using a newly designed qPCR assay targeting the amoB gene of clade A comammox bacteria in combination with quantitation of other canonical nitrifiers, we show that long solids retention time is the key process parameter associated with the prevalence and abundance of comammox bacteria. The increase in comammox bacterial abundance was not associated with concomitant decrease in the abundance of canonical nitrifiers; however, systems with comammox bacteria showed significantly better and temporally stable ammonia removal compared to systems where they were not detected. Finally, in contrast to recent studies, we do not find any significant association of comammox bacterial prevalence and abundance with dissolved oxygen concentrations in this study.Highlights ![Figure][1] GRAPHICAL ABSTRACT [1]: pending:yes

Abstract Commensal bacteria from the swine gut microbiome that can be isolated have numerous potential applications in the animal production industry, including mitigation of disease, improving performance, and promoting colonization resistance to human foodborne pathogens. Butyrate-producing bacteria are targets for next-generation probiotics and microbiome-engineering strategies because butyrate is a metabolite of central importance in large intestinal homeostasis and may augment colonization resistance to enteric pathogens. However, relatively few butyrate-producers from swine have been cultured and extensively characterized. Here, we describe the substrate utilization, metabolic profiles, and genomic features of two novel species that produce high concentration of butyrate in vitro , Roseburia sp. 831b and Petralouisia sp. 499, isolated from swine feces. The complete genomes illustrated versatility in carbon metabolism and unique carbohydrate-active enzymes not observed in other species of Roseburia and Petralouisia that encode a combination of glycosidic hydrolases and carbohydrate-binding modules involved in starch and pectin utilization. Roseburia sp. 831b fermented a broader range and more complex mono- and polysaccharides than Petralouisia sp. 499. Fecal and cecal metagenomes from eight-week-old pigs challenged with Salmonella revealed that Roseburia sp. 831b increased to detectable abundances in the swine hindgut in most animals at ∼63-70 days of age. Additionally, the abundance of Roseburia sp. 831b in fecal metagenomes correlated with fecal butyrate concentrations in the pigs fed a diet supplemented with a prebiotic resistant potato starch. Together, these findings highlight the probiotic potential and ecological niche in the swine gastrointestinal tract for two novel butyrate-producers. Importance Antibiotics have been important for swine production and management of enteric pathogens; however, the Veterinary Feed Directive limits the use of medically important in-feed antibiotics for production purposes. As a result, there is a need for alternatives to antibiotics. Butyrate-producing bacteria can improve colonization resistance to human pathogens within the swine gastrointestinal tract by reinforcing the intestinal barrier, increasing mucus production, and reducing local oxygen and pH levels. Here, we demonstrate the versatile substrate utilization and metabolic potential of two novel species isolated from swine that produce high butyrate concentrations in vitro . These findings will help develop strategies that increase the abundance of these species and other butyrate producers in the swine gut. Further, isolating and characterizing swine butyrate producers is necessary for controlled studies that provide a mechanistic understanding of how this functional group of bacteria promotes swine gut health and colonization resistance to bacteria of public health concern.