ABSTRACT Over the past two decades, advances in molecular biology have greatly expanded our understanding of microbiomes – the diverse assemblages of microorganisms that inhabit the human body as well as the world around us, and applications in microbiome science have become an active area of research. Differences in the diversity (i.e., richness) and composition of microbiomes has been found to be informative in varied areas of science, including human health, agronomy, and forensic science. Soil harbors microbiomes that vary based on many factors, including the geology of the soil (e.g., sand, silt, or clay), climate, and use of the soil. As a result, the microbiological composition of any two soil samples will never be exactly alike. This inherent variation between microbiomes of different locations has proven to be specific enough to be potentially useful in forensic investigations to associate a person or piece of evidence to a source site. In this study, a soil microbiome was extracted from the sock of a criminal suspect and compared to the microbiome of soil samples taken from locations traveled to by the suspect. The locations analyzed varied in their soil microbiome composition, and the microbiome profiled from the sock was found to be most similar to the location where the suspect was thought to have left the body of a murder victim. These results provide a case study illustrating that information contained in a soil microbiome may be applied to link evidence to the location where a crime took place, potentially serving as an investigative tool in law enforcement.

Abstract Due to the large number of negative tests, individually screening large populations for rare pathogens can be wasteful and expensive. Sample pooling methods improve the efficiency of large-scale pathogen screening campaigns by reducing the number of tests and reagents required to accurately categorize positive and negative individuals. Such methods rely on group testing theory which mainly focuses on minimizing the total number of tests; however, many other practical concerns and tradeoffs must be considered when choosing an appropriate method for a given set of circumstances. Here we use computational simulations to determine how several theoretical approaches compare in terms of (a) the number of tests, to minimize costs and save reagents, (b) the number of sequential steps, to reduce the time it takes to complete the assay, (c) the number of samples per pool, to avoid the limits of detection, (d) simplicity, to reduce the risk of human error, and (e) robustness, to poor estimates of the number of positive samples. We found that established methods often perform very well in one area but very poorly in others. Therefore, we introduce and validate a new method which performs fairly well across each of the above criteria making it a good general use approach.

ABSTRACT Episodic inputs of labile carbon (C) to soil can rapidly stimulate nitrogen (N) immobilization by soil microorganisms. However, the transcriptional patterns that underlie this process remain unclear. In order to better understand the regulation of N cycling in soil microbial communities, we conducted a 48 h laboratory incubation with an agricultural soil where we stimulated the uptake of inorganic N by amending the soil with glucose. We analyzed the metagenome and metatranscriptome of the microbial communities at four timepoints that corresponded with changes in N availability. The relative abundances of genes remained largely unchanged throughout the incubation. In contrast, glucose addition rapidly increased transcription of genes encoding for ammonium and nitrate transporters, enzymes responsible for N assimilation into biomass, and genes associated with the N regulatory network. This upregulation coincided with an increase in transcripts associated with glucose breakdown and oxoglutarate production, demonstrating a connection between C and N metabolism. When concentrations of ammonium were low, we observed a transient upregulation of genes associated with the nitrogen fixing enzyme nitrogenase. Transcripts for nitrification and denitrification were downregulated throughout the incubation, suggesting that dissimilatory transformations of N may be suppressed in response to labile C inputs in these soils. These results demonstrate that soil microbial communities can respond rapidly to changes in C availability by drastically altering the transcription of N cycling genes. IMPORTANCE A large portion of activity in soil microbial communities occurs in short time frames in response to an increase in C availability, affecting the biogeochemical cycling of nitrogen. These changes are of particular importance as nitrogen represents both a limiting nutrient for terrestrial plants as well as a potential pollutant. However, we lack a full understanding of the short-term effects of labile carbon inputs on the metabolism of microbes living in soil. Here, we found that soil microbial communities responded to labile carbon addition by rapidly transcribing genes encoding proteins and enzymes responsible for inorganic nitrogen acquisition, including nitrogen fixation. This work demonstrates that soil microbial communities respond within hours to carbon inputs through altered gene expression. These insights are essential for improved understanding of the microbial processes governing soil organic matter production, decomposition, and nutrient cycling in natural and agricultural ecosystems.

Abstract Leptospirosis (caused by pathogenic bacteria in the genus Leptospira ) is prevalent worldwide but more common in tropical and subtropical regions. Transmission can occur following direct exposure to infected urine from reservoir hosts, such as rats, or a urine-contaminated environment, which then can serve as an infection source for additional rats and other mammals, including humans. The brown rat, Rattus norvegicus , is an important reservoir of leptospirosis in urban settings. We investigated leptospirosis among brown rats in Boston, Massachusetts and hypothesized that rat dispersal in this urban setting influences the movement, persistence, and diversity of Leptospira . We analyzed DNA from 328 rat kidney samples collected from 17 sites in Boston over a seven-year period (2016–2022); 59 rats representing 12 of 17 sites were positive for Leptospira . We used 21 neutral microsatellite loci to genotype 311 rats and utilized the resulting data to investigate genetic connectivity among sampling sites. We generated whole genome sequences for 28 Leptospira isolates obtained from frozen and fresh tissue from some of the 59 Leptospira -positive rat kidneys. When isolates were not obtained, we attempted Leptospira genomic DNA capture and enrichment, which yielded 14 additional Leptospira genomes from rats. We also generated an enriched Leptospira genome from a 2018 human case in Boston. We found evidence of high genetic structure and limited dispersal among rat populations that is likely influenced by major roads and/or other unknown dispersal barriers, resulting in distinct rat population groups within the city; at certain sites these groups persisted for multiple years. We identified multiple distinct phylogenetic clades of L. interrogans among rats, with specific clades tightly linked to distinct rat populations. This pattern suggests L. interrogans persists in local rat populations and movement of leptospirosis in this urban rat community is driven by rat dispersal. Finally, our genomic analyses of the 2018 human leptospirosis case in Boston suggests a link to rats as the source. These findings will be useful for guiding rat control and human leptospirosis mitigation efforts in this and other urban settings.

Abstract West Nile Virus (WNV) has been detected annually in Maricopa County, Arizona, since 2003. With this in mind, we sought to determine if contemporary strains are established within the county or are annually imported. As part of this effort, we developed a new protocol for tiled amplicon sequencing of WNV to efficiently attain greater than 99% coverage of 14 WNV genomes collected directly from positive mosquito pools distributed throughout Maricopa County between 2014 and 2017. Bayesian phylogenetic analyses revealed that the contemporary genomes fall within two major lineages, NA/WN02 and SW/WN03. We found that all of the Arizona strains possessed a mutation known to be under positive selection (NS5-K314R), which has arisen independently four times. The SW/WN03 strains exhibited transient behavior, with at least 10 separate introductions into Arizona when considering both historical and contemporary strains. However, NA/WN02 strains are geographically differentiated and appear to be established in Arizona, with likely origins in New York. The clade of New York and Arizona strains looks to be the most ancestral extant lineage of WNV still circulating in the United States. The establishment of WNV strains in Maricopa County provides the first evidence of local overwintering by a WNV strain over the course of several years in Arizona.

Abstract Genomic diversity in a pathogen population is the foundation for evolution and adaptations in virulence, drug resistance, pathogenesis, and immune evasion. Characterizing, analyzing, and understanding population-level diversity is also essential for epidemiological and forensic tracking of sources and revealing detailed pathways of transmission and spread. For bacteria, culturing, isolating, and sequencing the large number of individual colonies required to adequately sample diversity can be prohibitively time-consuming and expensive. While sequencing directly from a mixed population will show variants among reads, they cannot be linked to reveal allele combinations associated with particular traits or phylogenetic inheritance patterns. Here, we describe the theory and method of how population sequencing directly from a mixed sample can be used in conjunction with sequencing a very small number of colonies to describe the phylogenetic diversity of a population without haplotype reconstruction. To demonstrate the utility of population sequencing in capturing phylogenetic diversity, we compared isogenic clones to population sequences of Burkholderia pseudomallei from the sputum of a single patient. We also analyzed population sequences of Staphylococcus aureus derived from different people and different body sites. Sequencing results confirm our ability to capture and characterize phylogenetic diversity in our samples. Our analyses of B. pseudomallei populations led to the surprising discovery that the pathogen population is highly structured in sputum, suggesting that for some pathogens, sputum sampling may preserve structuring in the lungs and thus present a non-invasive alternative to understanding colonization, movement, and pathogen/host interactions. Our analyses of S. aureus samples show how comparing phylogenetic diversity across populations can reveal directionality of transmission between hosts and across body sites, demonstrating the power and utility for characterizing the spread of disease and identification of reservoirs at the finest levels. We anticipate that population sequencing and analysis can be broadly applied to accelerate research in a broad range of fields reliant on a foundational understanding of population diversity. Author Summary The ability to characterize diversity in a single bacterial population (i.e., a single host or even a single body site) is critical for understanding adaptation and evolution, with far-reaching implications on disease treatment and prevention that include revealing patterns of spread and persistence. While the scientific community has made great strides in sequencing methods to characterize single colonies and entire communities, there is a dearth of studies at the population level. This is because 1) the need to culture and sequence a sufficiently representative number of isogenic colonies is prohibitive, and 2) the theoretical foundation for characterizing a population by sequencing a single sample (as is done for microbiome and metagenomic analyses) has not been developed. Here, we introduce this theoretical foundation and validate its applicability by characterizing a lung infection caused by Burkholderia pseudomallei . We also demonstrate the utility of this method in determining the directionality of spread of Staphylococcus aureus between people and across body sites within the same host (a level of spatial resolution that has not been previously performed). We anticipate that this work will open the door to a host of new studies and discoveries across a diverse set of microbiological fields.

The Late Quaternary extinctions of megafauna (defined as animal species >44.5 kg) reduced the dispersal of seeds and nutrients, and likely also microbes and parasites. Here we use body-mass based scaling and range maps for extinct and extant mammal species to show that these extinctions led to an almost seven-fold reduction in the movement of gut-transported microbes, such as Escherichia coli (3.3 km2/day to 0.5 km2/day). Similarly, the extinctions led to a seven-fold reduction in the mean home ranges of vector-borne pathogens (7.8 km2 to 1.1 km2). To understand the impact of this, we created an individual-based model where an order of magnitude decrease in home range increased maximum aggregated microbial mutations 4-fold after 20,000 years. We hypothesize that pathogen speciation and hence endemism increased with isolation, as global dispersal distances decreased through a mechanism similar to the theory of island biogeography. To investigate if such an effect could be found, we analysed where 145 zoonotic diseases have emerged in human populations and found quantitative estimates of reduced dispersal of ectoparasites and fecal pathogens significantly improved our ability to predict the locations of outbreaks (increasing variance explained by 8%). There are limitations to this analysis which we discuss in detail, but if further studies support these results, they broadly suggest that reduced pathogen dispersal following megafauna extinctions may have increased the emergence of zoonotic pathogens moving into human populations.

Abstract St. Louis Encephalitis Virus (SLEV) has been seasonally detected within the Culex spp . populations within Maricopa County, Arizona and Coachella Valley, California since an outbreak in Maricopa County in 2015. Previous work revealed that the outbreak was caused by an importation of SLEV genotype III, which had only been detected within Argentina in prior years. However, little is known about when the importation occurred or the population dynamics since its arrival into the southwestern United States. In this study, we wanted to determine if the annual detection of SLEV in Maricopa and Riverside counties is due to enzootic cycling or new importations. To address this question, we analyzed 143 SLEV genomes (138 sequenced as part of this study) using the Bayesian phylogenetic analysis software, BEAST, to estimate the date of arrival into the American Southwest and characterize the underlying population structure of SLEV. Phylogenetic clustering showed that SLEV variants circulating in Arizona and California form two distinct populations with little evidence of transmission among the two populations since the onset of the outbreak. Interestingly, the SLEV variants in Coachella Valley appear to be annually imported from a nearby source, whereas the Arizona population is locally sourced each year. Finally, the earliest representatives of SLEV genotype III in the southwestern US formed a polytomy that includes both California and Arizona samples. We propose that the initial outbreak could have resulted from an introductory population of SLEV, perhaps in one or more bird flocks migrating north in 2013, rather than a single variant introduced by one bird.

Anthrax is a zoonotic disease that occurs naturally in wild and domestic animals but has been used by both state-sponsored programs and terrorists as a biological weapon. The 2001 anthrax letter attacks involved less than gram quantities of Bacillus anthracis spores while the earlier Soviet weapons program produced tons. A Soviet industrial production facility in Sverdlovsk proved deficient in 1979 when a plume of spores was accidentally released and resulted in one of the largest known human anthrax outbreak. In order to understand this outbreak and others, we have generated a B. anthracis population genetic database based upon whole genome analysis to identify all SNPs across a reference genome. Only ~12,000 SNPs were identified in this low diversity species and represents the breadth of its known global diversity. Phylogenetic analysis has defined three major clades (A, B and C) with B and C being relatively rare compared to A. The A clade has numerous subclades including a major polytomy named the Trans-Eurasian (TEA) group. The TEA radiation is a dominant evolutionary feature of B. anthracis, many contemporary populations, and must have resulted from large-scale dispersal of spores from a single source. Two autopsy specimens from the Sverdlovsk outbreak were deeply sequenced to produce draft B. anthracis genomes. This allowed the phylogenetic placement of the Sverdlovsk strain into a clade with two Asian live vaccine strains, including the Russian Tsiankovskii strain. The genome was examined for evidence of drug resistance manipulation or other genetic engineering, but none was found. Only 13 SNPs differentiated the virulent Sverdlovsk strain from its common ancestor with two vaccine strains. The Soviet Sverdlovsk strain genome is consistent with a wild type strain from Russia that had no evidence of genetic manipulation during its industrial production. This work provides insights into the world's largest biological weapons program and provides an extensive B. anthracis phylogenetic reference valuable for future anthrax investigations.