Abstract Background The number of prokaryotic genome sequences becoming available is growing steadily and is growing faster than our ability to accurately annotate them. Description We describe a fully automated service for annotating bacterial and archaeal genomes. The service identifies protein-encoding, rRNA and tRNA genes, assigns functions to the genes, predicts which subsystems are represented in the genome, uses this information to reconstruct the metabolic network and makes the output easily downloadable for the user. In addition, the annotated genome can be browsed in an environment that supports comparative analysis with the annotated genomes maintained in the SEED environment. The service normally makes the annotated genome available within 12–24 hours of submission, but ultimately the quality of such a service will be judged in terms of accuracy, consistency, and completeness of the produced annotations. We summarize our attempts to address these issues and discuss plans for incrementally enhancing the service. Conclusion By providing accurate, rapid annotation freely to the community we have created an important community resource. The service has now been utilized by over 120 external users annotating over 350 distinct genomes.

In 2004, the SEED (http://pubseed.theseed.org/) was created to provide consistent and accurate genome annotations across thousands of genomes and as a platform for discovering and developing de novo annotations. The SEED is a constantly updated integration of genomic data with a genome database, web front end, API and server scripts. It is used by many scientists for predicting gene functions and discovering new pathways. In addition to being a powerful database for bioinformatics research, the SEED also houses subsystems (collections of functionally related protein families) and their derived FIGfams (protein families), which represent the core of the RAST annotation engine (http://rast.nmpdr.org/). When a new genome is submitted to RAST, genes are called and their annotations are made by comparison to the FIGfam collection. If the genome is made public, it is then housed within the SEED and its proteins populate the FIGfam collection. This annotation cycle has proven to be a robust and scalable solution to the problem of annotating the exponentially increasing number of genomes. To date, >12 000 users worldwide have annotated >60 000 distinct genomes using RAST. Here we describe the interconnectedness of the SEED database and RAST, the RAST annotation pipeline and updates to both resources.

The RAST (Rapid Annotation using Subsystem Technology) annotation engine was built in 2008 to annotate bacterial and archaeal genomes. It works by offering a standard software pipeline for identifying genomic features (i.e., protein-encoding genes and RNA) and annotating their functions. Recently, in order to make RAST a more useful research tool and to keep pace with advancements in bioinformatics, it has become desirable to build a version of RAST that is both customizable and extensible. In this paper, we describe the RAST tool kit (RASTtk), a modular version of RAST that enables researchers to build custom annotation pipelines. RASTtk offers a choice of software for identifying and annotating genomic features as well as the ability to add custom features to an annotation job. RASTtk also accommodates the batch submission of genomes and the ability to customize annotation protocols for batch submissions. This is the first major software restructuring of RAST since its inception.

The Pathosystems Resource Integration Center (PATRIC) is the bacterial Bioinformatics Resource Center (https://www.patricbrc.org). Recent changes to PATRIC include a redesign of the web interface and some new services that provide users with a platform that takes them from raw reads to an integrated analysis experience. The redesigned interface allows researchers direct access to tools and data, and the emphasis has changed to user-created genome-groups, with detailed summaries and views of the data that researchers have selected. Perhaps the biggest change has been the enhanced capability for researchers to analyze their private data and compare it to the available public data. Researchers can assemble their raw sequence reads and annotate the contigs using RASTtk. PATRIC also provides services for RNA-Seq, variation, model reconstruction and differential expression analysis, all delivered through an updated private workspace. Private data can be compared by ‘virtual integration’ to any of PATRIC's public data. The number of genomes available for comparison in PATRIC has expanded to over 80 000, with a special emphasis on genomes with antimicrobial resistance data. PATRIC uses this data to improve both subsystem annotation and k-mer classification, and tags new genomes as having signatures that indicate susceptibility or resistance to specific antibiotics.

Previously, we presented evidence that it is possible to predict functional coupling between genes based on conservation of gene clusters between genomes. With the rapid increase in the availability of prokaryotic sequence data, it has become possible to verify and apply the technique. In this paper, we extend our characterization of the parameters that determine the utility of the approach, and we generalize the approach in a way that supports detection of common classes of functionally coupled genes (e.g., transport and signal transduction clusters). Now that the analysis includes over 30 complete or nearly complete genomes, it has become clear that this approach will play a significant role in supporting efforts to assign functionality to the remaining uncharacterized genes in sequenced genomes.

The Pathosystems Resource Integration Center (PATRIC) is the all-bacterial Bioinformatics Resource Center (BRC) (http://www.patricbrc.org). A joint effort by two of the original National Institute of Allergy and Infectious Diseases-funded BRCs, PATRIC provides researchers with an online resource that stores and integrates a variety of data types [e.g. genomics, transcriptomics, protein–protein interactions (PPIs), three-dimensional protein structures and sequence typing data] and associated metadata. Datatypes are summarized for individual genomes and across taxonomic levels. All genomes in PATRIC, currently more than 10 000, are consistently annotated using RAST, the Rapid Annotations using Subsystems Technology. Summaries of different data types are also provided for individual genes, where comparisons of different annotations are available, and also include available transcriptomic data. PATRIC provides a variety of ways for researchers to find data of interest and a private workspace where they can store both genomic and gene associations, and their own private data. Both private and public data can be analyzed together using a suite of tools to perform comparative genomic or transcriptomic analysis. PATRIC also includes integrated information related to disease and PPIs. All the data and integrated analysis and visualization tools are freely available. This manuscript describes updates to the PATRIC since its initial report in the 2007 NAR Database Issue.

Bacillus cereus is an opportunistic pathogen causing food poisoning manifested by diarrhoeal or emetic syndromes1. It is closely related to the animal and human pathogen Bacillus anthracis and the insect pathogen Bacillus thuringiensis, the former being used as a biological weapon and the latter as a pesticide. B. anthracis and B. thuringiensis are readily distinguished from B. cereus by the presence of plasmid-borne specific toxins (B. anthracis and B. thuringiensis) and capsule (B. anthracis). But phylogenetic studies based on the analysis of chromosomal genes bring controversial results, and it is unclear whether B. cereus, B. anthracis and B. thuringiensis are varieties of the same species2 or different species3,4. Here we report the sequencing and analysis of the type strain B. cereus ATCC 14579. The complete genome sequence of B. cereus ATCC 14579 together with the gapped genome of B. anthracis A20125 enables us to perform comparative analysis, and hence to identify the genes that are conserved between B. cereus and B. anthracis, and the genes that are unique for each species. We use the former to clarify the phylogeny of the cereus group, and the latter to determine plasmid-independent species-specific markers.

Abstract The PathoSystems Resource Integration Center (PATRIC) is the bacterial Bioinformatics Resource Center funded by the National Institute of Allergy and Infectious Diseases (https://www.patricbrc.org). PATRIC supports bioinformatic analyses of all bacteria with a special emphasis on pathogens, offering a rich comparative analysis environment that provides users with access to over 250 000 uniformly annotated and publicly available genomes with curated metadata. PATRIC offers web-based visualization and comparative analysis tools, a private workspace in which users can analyze their own data in the context of the public collections, services that streamline complex bioinformatic workflows and command-line tools for bulk data analysis. Over the past several years, as genomic and other omics-related experiments have become more cost-effective and widespread, we have observed considerable growth in the usage of and demand for easy-to-use, publicly available bioinformatic tools and services. Here we report the recent updates to the PATRIC resource, including new web-based comparative analysis tools, eight new services and the release of a command-line interface to access, query and analyze data.

Abstract A central question in biology is how biodiversity influences ecosystem functioning. Underlying this is the relationship between organismal phylogeny and the presence of specific functional traits. The relationship is complicated by gene loss and convergent evolution, resulting in the polyphyletic distribution of many traits. In microorganisms, lateral gene transfer can further distort the linkage between phylogeny and the presence of specific functional traits. To identify the phylogenetic conservation of specific traits in microorganisms, we developed a new phylogenetic metric—consenTRAIT—to estimate the clade depth where organisms share a trait. We then analyzed the distribution of 89 functional traits across a broad range of Bacteria and Archaea using genotypic and phenotypic data. A total of 93% of the traits were significantly non-randomly distributed, which suggested that vertical inheritance was generally important for the phylogenetic dispersion of functional traits in microorganisms. Further, traits in microbes were associated with a continuum of trait depths (τD), ranging from a few deep to many shallow clades (average τD: 0.101–0.0011 rRNA sequence dissimilarity). Next, we demonstrated that the dispersion and the depth of clades that contain a trait is correlated with the trait’s complexity. Specifically, complex traits encoded by many genes like photosynthesis and methanogenesis were found in a few deep clusters, whereas the ability to use simple carbon substrates was highly phylogenetically dispersed. On the basis of these results, we propose a framework for predicting the phylogenetic conservatism of functional traits depending on the complexity of the trait. This framework enables predicting how variation in microbial composition may affect microbially-mediated ecosystem processes as well as linking phylogenetic and trait-based patterns of biogeography.

The lactic acid bacterium Streptococcus thermophilus is widely used for the manufacture of yogurt and cheese. This dairy species of major economic importance is phylogenetically close to pathogenic streptococci, raising the possibility that it has a potential for virulence. Here we report the genome sequences of two yogurt strains of S. thermophilus. We found a striking level of gene decay (10% pseudogenes) in both microorganisms. Many genes involved in carbon utilization are nonfunctional, in line with the paucity of carbon sources in milk. Notably, most streptococcal virulence-related genes that are not involved in basic cellular processes are either inactivated or absent in the dairy streptococcus. Adaptation to the constant milk environment appears to have resulted in the stabilization of the genome structure. We conclude that S. thermophilus has evolved mainly through loss-of-function events that remarkably mirror the environment of the dairy niche resulting in a severely diminished pathogenic potential.