Abstract Microorganisms dominate life in cryospheric ecosystems. In glacier-fed streams (GFSs), ecological windows of opportunities allow complex microbial biofilms to develop and transiently form the basis of the food web, thereby controlling key ecosystem processes. Here, using high-resolution metagenomics, we unravel strategies that allow biofilms to seize this opportunity in an ecosystem otherwise characterized by harsh environmental conditions. We found a diverse microbiome spanning the entire tree of life and including a rich virome. Various and co-existing energy acquisition pathways point to diverse niches and the simultaneous exploitation of available resources, likely fostering the establishment of complex biofilms in GFSs during windows of opportunity. The wide occurrence of rhodopsins across metagenome-assembled genomes (MAGs), besides chlorophyll, highlights the role of solar energy capture in these biofilms. Concomitantly, internal carbon and nutrient cycling between photoautotrophs and heterotrophs may help overcome constraints imposed by the high oligotrophy in GFSs. MAGs also revealed mechanisms potentially protecting bacteria against low temperatures and high UV-radiation. The selective pressure of the GFS environment is further highlighted by the phylogenomic analysis, differentiating the representatives of the genus Polaromonas , an important component of the GFS microbiome, from those found in other ecosystems. Our findings reveal key genomic underpinnings of adaptive traits that contribute to the success of complex biofilms to exploit environmental opportunities in GFSs, now rapidly changing owing to global warming.

Microdiversity, the organization of microorganisms into groups with closely related but ecologically different sub-types, is widespread and represents an important linchpin between microbial ecology and evolution. However, the drivers of microdiversification remain largely unknown. Here we show that selection promotes microdiversity in the microbiome associated with sediments in glacier-fed streams (GFS). Applying a novel phylogenetic framework, we identify several clades that are under homogeneous selection and that contain genera with higher levels of microdiversity than the rest of the genera. Overall these clades constituted ∼44% and ∼64% of community α-diversity and abundance, and both percentages increased further in GFS that were largely devoid of primary producers. Our findings show that strong homogeneous selection drives the microdiversification of specialized microbial groups putatively underlying their success in the extreme environment of GFS. This microdiversity could be threatened as glaciers shrink, with unknown consequences for microbial diversity and functionality in these ecosystems.

Abstract Background Antimicrobial resistance (AMR) is a universal phenomenon whose origins lay in natural ecological interactions such as competition within niches, within and between micro- to higher-order organisms. However, the ecological and evolutionary processes shaping AMR need to be better understood in view of better antimicrobial stewardship. Resolving antibiotic biosynthetic pathways, including biosynthetic gene clusters (BGCs), and corresponding antimicrobial resistance genes (ARGs) may therefore help in understanding the inherent mechanisms. However, to study these phenomena, it is crucial to examine the origins of AMR in pristine environments with limited anthropogenic influences. In this context, epilithic biofilms residing in glacier-fed streams (GFSs) are an excellent model system to study diverse, intra- and inter-domain, ecological crosstalk. Results We assessed the resistomes of epilithic biofilms from GFSs across the Southern Alps (New Zealand) and the Caucasus (Russia) and observed that both bacteria and eukaryotes encoded twenty-nine distinct AMR categories. Of these, beta-lactam, aminoglycoside, and multidrug resistance were both abundant and taxonomically distributed in most of the bacterial and eukaryotic phyla. AMR-encoding phyla included Bacteroidota and Proteobacteria among the bacteria, alongside Ochrophyta (algae) among the eukaryotes. Additionally, BGCs involved in the production of antibacterial compounds were identified across all phyla in the epilithic biofilms. Furthermore, we found that several bacterial genera ( Flavobacterium, Polaromonas , etc.) including representatives of the superphylum Patescibacteria encode both ARGs and BGCs within close proximity of each other, thereby demonstrating their capacity to simultaneously influence and compete within the microbial community. Conclusions Our findings highlight the presence and abundance of AMR in epilithic biofilms within GFSs. Additionally, we identify their role in the complex intra- and inter-domain competition and the underlying mechanisms influencing microbial survival in GFS epilithic biofilms. We demonstrate that eukaryotes may serve as AMR reservoirs owing to their potential for encoding ARGs. We also find that the taxonomic affiliation of the AMR and the BGCs are congruent. Importantly, our findings allow for understanding how naturally occurring BGCs and AMR contribute to the epilithic biofilms mode of life in GFSs. Importantly, these observations may be generalizable and potentially extended to other environments which may be more or less impacted by human activity.

The rapid melting of mountain glaciers and the vanishing of their streams is emblematic of climate change1,2. Glacier-fed streams (GFSs) are cold, oligotrophic and unstable ecosystems in which life is dominated by microbial biofilms2,3. However, current knowledge on the GFS microbiome is scarce4,5, precluding an understanding of its response to glacier shrinkage. Here, by leveraging metabarcoding and metagenomics, we provide a comprehensive survey of bacteria in the benthic microbiome across 152 GFSs draining the Earth's major mountain ranges. We find that the GFS bacterial microbiome is taxonomically and functionally distinct from other cryospheric microbiomes. GFS bacteria are diverse, with more than half being specific to a given mountain range, some unique to single GFSs and a few cosmopolitan and abundant. We show how geographic isolation and environmental selection shape their biogeography, which is characterized by distinct compositional patterns between mountain ranges and hemispheres. Phylogenetic analyses furthermore uncovered microdiverse clades resulting from environmental selection, probably promoting functional resilience and contributing to GFS bacterial biodiversity and biogeography. Climate-induced glacier shrinkage puts this unique microbiome at risk. Our study provides a global reference for future climate-change microbiology studies on the vanishing GFS ecosystem. Leveraging metabarcoding and metagenomics, a survey of bacteria in the benthic microbiome across 152 glacier-fed streams (GFSs) provides a global reference for future climate-change microbiology studies on the vanishing GFS ecosystem.