Metagenomic sequencing of biomass-degrading microbes from cow rumen reveals new carbohydrate-active enzymes.

In this study, we used PCR typing methods to assess the presence of tetracycline resistance determinants conferring ribosomal protection in waste lagoons and in groundwater underlying two swine farms. All eight classes of genes encoding this mechanism of resistance [tet(O), tet(Q), tet(W), tet(M), tetB(P), tet(S), tet(T), and otrA] were found in total DNA extracted from water of two lagoons. These determinants were found to be seeping into the underlying groundwater and could be detected as far as 250 m downstream from the lagoons. The identities and origin of these genes in groundwater were confirmed by PCR-denaturing gradient gel electrophoresis and sequence analyses. Tetracycline-resistant bacterial isolates from groundwater harbored the tet(M) gene, which was not predominant in the environmental samples and was identical to tet(M) from the lagoons. The presence of this gene in some typical soil inhabitants suggests that the vector of antibiotic resistance gene dissemination is not limited to strains of gastrointestinal origin carrying the gene but can be mobilized into the indigenous soil microbiota. This study demonstrated that tet genes occur in the environment as a direct result of agriculture and suggested that groundwater may be a potential source of antibiotic resistance in the food chain.

ABSTRACT Phylogenetic analysis of tetracycline resistance genes encoding the ribosomal protection proteins (RPPs) revealed the monophyletic origin of these genes. The most deeply branching class, exemplified by tet and otrA , consisted of genes from the antibiotic-producing organisms Streptomyces rimosus and Streptomyces lividans . With a high degree of confidence, the corresponding genes of the other seven classes (Tet M, Tet S, Tet O, Tet W, Tet Q, Tet T, and TetB P) formed phylogenetically distinct separate clusters. Based on this phylogenetic analysis, a set of PCR primers for detection, retrieval, and sequence analysis of the corresponding gene fragments from a variety of bacterial and environmental sources was developed and characterized. A pair of degenerate primers targeted all tetracycline resistance genes encoding RPPs except otrA and tet , and seven other primer pairs were designed to target the specific classes. The primers were used to detect the circulation of these genes in the rumina of cows, in swine feed and feces, and in swine fecal streptococci. Classes Tet O and Tet W were found in the intestinal contents of both animals, while Tet M was confined to pigs and Tet Q was confined to the rumen. The tet (O) and tet (W) genes circulating in the microbiota of the rumen and the gastrointestinal tract of pigs were identical despite the differences in animal hosts and antibiotic use regimens. Swine fecal streptococci uniformly possessed the tet (O) gene, and 22% of them also carried tet (M). This population could be considered one of the main reservoirs of these two resistance genes in the pig gastrointestinal tract. All classes of RPPs except Tet T and TetB P were found in the commercial components of swine feed. This is the first demonstration of the applicability of molecular ecology techniques to estimation of the gene pool and the flux of antibiotic resistance genes in production animals.

Rhizosphere bacteria have significant contributions to crop health, productivity and carbon sequestration. As maize (Zea mays) is an important economic crop, its rhizosphere bacterial communities have been intensively investigated using various approaches. However, low-resolution profiling methods often make it difficult to understand the complicated rhizosphere bacterial communities and their dynamics. In this study, we analyzed growth-stage related dynamics of bacterial community structures in the rhizosphere of maize using the pyrosequencing method, which revealed an assembly of bacteria enriched in the rhizosphere. Our results revealed that the rhizosphere of maize was preferentially colonized by Proteobacteria, Bacteroidetes and Actinobacteria, and each bacterial phylum was represented by one or two dominating subsets of bacterial groups. Dominant genera enriched in the rhizosphere included Massilia, Burkholderia, Ralstonia, Dyella, Chitinophaga and Sphingobium. Rhizosphere bacterial community structures significantly changed through different growth stages at lower taxonomic ranks (family, genus and OTU levels). Genera Massilia, Flavobacterium, Arenimonas and Ohtaekwangia were relatively abundant at early growth stages, while genera Burkholderia, Ralstonia, Dyella, Chitinophaga, Sphingobium, Bradyrhizobium and Variovorax populations were dominant at later stages. Comparisons of pyrosequencing data collected in Illinois, USA in this study with the available data from Braunschweig, Germany indicated many common bacterial inhabitants but also many differences in the structure of bacterial communities, implying that some site-specific factors, such as soil properties, may play important roles in shaping the structure of rhizosphere bacterial community.

A reciprocal cross-fostering model with an obese typical Chinese piglet breed and a lean Western breed was used to identify genetic and maternal effects on the acquisition and development gut bacteria from birth until after weaning. Pyrosequencing of 16S rRNA genes results revealed an age- and diet-dependent bacterial succession process in piglets. During the first 3 days after birth, the bacterial community was relatively simple and dominated by Firmicutes with 79% and 65% relative abundance for Meishan and Yorkshire piglets, respectively. During the suckling period until day 14, the piglet breed and the nursing mother lead to increasing differentiation of the fecal bacterial community, with specific bacteria taxa associated with breed, and others with the nursing sow most likely due to its milk composition. Although the effect of nursing mother and the breed were evident through the suckling period, the introduction of solid feed and subsequent weaning were the major events occurring that dominated succession of the gut microbiota in the early life of piglets. This piglet cross-fostering model is a useful tool for studying the effects of diet, host genetics and the environment on the development and acquisition of the gut microbiota and over longer studies the subsequent impact on growth, health and performance of pigs.

Second-generation biofuel production, which aims to convert lignocellulose to liquid transportation fuels, could be transformative in worldwide energy portfolios. A bottleneck impeding its large-scale deployment is conversion of the target polysaccharides in lignocellulose to their unit sugars for microbial fermentation to the desired fuels. Cellulose and hemicellulose, the two major polysaccharides in lignocellulose, are complex in nature, and their interactions with pectin and lignin further increase their recalcitrance to depolymerization. This review focuses on the intricate linkages present in the feedstocks of interest and examines the potential of the enzymes evolved by microbes, in the microbe/ruminant symbiotic relationship, to depolymerize the target polysaccharides. We further provide insights to how a rational and more efficient assembly of rumen microbial enzymes can be reconstituted for lignocellulose degradation. We conclude by expounding on how gains in this area can impact the sustainability of both animal agriculture and the energy sector.