We provide here a comparative genome analysis of ten strains within the Pseudomonas fluorescens group including seven new genomic sequences. These strains exhibit a diverse spectrum of traits involved in biological control and other multitrophic interactions with plants, microbes, and insects. Multilocus sequence analysis placed the strains in three sub-clades, which was reinforced by high levels of synteny, size of core genomes, and relatedness of orthologous genes between strains within a sub-clade. The heterogeneity of the P. fluorescens group was reflected in the large size of its pan-genome, which makes up approximately 54% of the pan-genome of the genus as a whole, and a core genome representing only 45–52% of the genome of any individual strain. We discovered genes for traits that were not known previously in the strains, including genes for the biosynthesis of the siderophores achromobactin and pseudomonine and the antibiotic 2-hexyl-5-propyl-alkylresorcinol; novel bacteriocins; type II, III, and VI secretion systems; and insect toxins. Certain gene clusters, such as those for two type III secretion systems, are present only in specific sub-clades, suggesting vertical inheritance. Almost all of the genes associated with multitrophic interactions map to genomic regions present in only a subset of the strains or unique to a specific strain. To explore the evolutionary origin of these genes, we mapped their distributions relative to the locations of mobile genetic elements and repetitive extragenic palindromic (REP) elements in each genome. The mobile genetic elements and many strain-specific genes fall into regions devoid of REP elements (i.e., REP deserts) and regions displaying atypical tri-nucleotide composition, possibly indicating relatively recent acquisition of these loci. Collectively, the results of this study highlight the enormous heterogeneity of the P. fluorescens group and the importance of the variable genome in tailoring individual strains to their specific lifestyles and functional repertoire.

Thermostable enzymes are used for a range of industrial processes, including biofuel production. Berka et al. report the genome sequences of two thermophilic eukaryotic fungi with enzymes that operate at the elevated temperatures needed to digest biomass and prepare many biochemicals. Thermostable enzymes and thermophilic cell factories may afford economic advantages in the production of many chemicals and biomass-based fuels. Here we describe and compare the genomes of two thermophilic fungi, Myceliophthora thermophila and Thielavia terrestris. To our knowledge, these genomes are the first described for thermophilic eukaryotes and the first complete telomere-to-telomere genomes for filamentous fungi. Genome analyses and experimental data suggest that both thermophiles are capable of hydrolyzing all major polysaccharides found in biomass. Examination of transcriptome data and secreted proteins suggests that the two fungi use shared approaches in the hydrolysis of cellulose and xylan but distinct mechanisms in pectin degradation. Characterization of the biomass-hydrolyzing activity of recombinant enzymes suggests that these organisms are highly efficient in biomass decomposition at both moderate and high temperatures. Furthermore, we present evidence suggesting that aside from representing a potential reservoir of thermostable enzymes, thermophilic fungi are amenable to manipulation using classical and molecular genetics.

All cellular life contains an extensive array of membrane transport proteins. The vast majority of these transporters have not been experimentally characterized. We have developed a bioinformatic pipeline to identify and annotate complete sets of transporters in any sequenced genome. This pipeline is now fully automated enabling it to better keep pace with the accelerating rate of genome sequencing. This manuscript describes TransportDB 2.0 (http://www.membranetransport.org/transportDB2/), a completely updated version of TransportDB, which provides access to the large volumes of data generated by our automated transporter annotation pipeline. The TransportDB 2.0 web portal has been rebuilt to utilize contemporary JavaScript libraries, providing a highly interactive interface to the annotation information, and incorporates analysis tools that enable users to query the database on a number of levels. For example, TransportDB 2.0 includes tools that allow users to select annotated genomes of interest from the thousands of species held in the database and compare their complete transporter complements.

Pseudomonas aeruginosa PA7 is a non-respiratory human isolate from Argentina that is multiresistant to antibiotics. We first sequenced gyrA, gyrB, parC, parE, ampC, ampR, and several housekeeping genes and found that PA7 is a taxonomic outlier. We report here the complete sequence of the 6,588,339 bp genome, which has only about 95% overall identity to other strains. PA7 has multiple novel genomic islands and a total of 51 occupied regions of genomic plasticity. These islands include antibiotic resistance genes, parts of transposons, prophages, and a pKLC102-related island. Several PA7 genes not present in PAO1 or PA14 are putative orthologues of other Pseudomonas spp. and Ralstonia spp. genes. PA7 appears to be closely related to the known taxonomic outlier DSM1128 (ATCC9027). PA7 lacks several virulence factors, notably the entire TTSS region corresponding to PA1690-PA1725 of PAO1. It has neither exoS nor exoU and lacks toxA, exoT, and exoY. PA7 is serotype O12 and pyoverdin type II. Preliminary proteomic studies indicate numerous differences with PAO1, some of which are probably a consequence of a frameshift mutation in the mvfR quorum sensing regulatory gene.

Abstract Gene essentiality studies have been performed on numerous bacterial pathogens, but essential gene sets have been determined for only a few plant-associated bacteria. Pseudomonas protegens Pf-5 is a plant-commensal, biocontrol bacteria that can control disease-causing pathogens on a wide range of crops. Work on Pf-5 has mostly focused on secondary metabolism and biocontrol genes, but genome-wide approaches such as high-throughput transposon mutagenesis have not yet been used in this species. Here we generated a dense P. protegens Pf-5 transposon mutant library and used transposon-directed insertion site sequencing (TraDIS) to identify 446 genes essential for growth on rich media. Genes required for fundamental cellular machinery were enriched in the essential gene set, while genes related to nutrient biosynthesis, stress responses and transport were under-represented. Comparison of the essential gene sets of Pf-5 and P. aeruginosa PA14, an opportunistic human pathogen, provides insight into the biological processes important for their different lifestyles. Key differences include cytochrome c biogenesis, formation of periplasmic disulfide bonds, lipid biosynthesis, ribonuclease activity, lipopolysaccharides and cell surface structures. Comparison of the Pf-5 in silico predicted and in vitro determined essential gene sets highlighted the essential cellular functions that are over- and underestimated by each method. Expanding essentiality studies into bacteria with a range of lifestyles can improve our understanding of the biological processes important for survival and growth in different environmental niches. Importance Essential genes are those crucial for survival or normal growth rates in an organism. Essential gene sets have been identified in numerous bacterial pathogens, but only a few plant-associated bacteria. Employing genome-wide approaches, such as transposon insertion sequencing, allows for the concurrent analysis of all genes of a bacterial species and rapid determination of essential gene sets. We have used transposon insertion sequencing to systematically analyze thousands of Pseudomonas protegens Pf-5 genes and gain insights into gene functions and interactions that are not readily available using traditional methods. Comparing Pf-5 essential genes with those of P. aeruginosa PA14, an opportunistic human pathogen, provides insight into differences in gene essentiality which may be linked to their different lifestyles.

Abstract Plants live in association with microorganisms that positively influence plant development, vigor, and fitness in response to pathogens and abiotic stressors. The bulk of the plant microbiome is concentrated belowground at the plant root-soil interface. Plant roots secrete carbon-rich rhizodeposits containing primary and secondary low molecular-weight metabolites, lysates, and mucilages. These exudates provide nutrients for soil microorganisms and modulate their affinity to host plants, but molecular details of this process are largely unresolved. We addressed this gap by focusing on the molecular dialogue between eight well-characterized beneficial strains of the Pseudomonas fluorescens group and Brachypodium distachyon , a model for economically important food, feed, forage, and biomass crops of the grass family. We collected and analyzed root exudates of B. distachyon and demonstrated the presence of multiple carbohydrates, amino acids, organic acids and phenolic compounds. The subsequent screening of bacteria by Biolog Phenotype MicroArrays revealed that many of these metabolites provide carbon and energy for the Pseudomonas strains. RNA-seq profiling of bacterial cultures amended with root exudates revealed changes in the expression of genes encoding numerous catabolic and anabolic enzymes, transporters, transcriptional regulators, stress response, and conserved hypothetical proteins. Almost half of the differentially expressed genes mapped to the variable part of the strains’ pangenome, reflecting the importance of the variable gene content in the adaptation of P. fluorescens to the rhizosphere lifestyle. Our results collectively reveal the diversity of cellular pathways and physiological responses underlying the establishment of mutualistic interactions between these beneficial rhizobacteria and their plant hosts.

Abstract Background Anchialine environments, in which oceanic water mixes with freshwater in coastal aquifers, are characterised by stratified water columns with complex physicochemical profiles. These environments, also known as subterranean estuaries, support an abundance of endemic macro and microorganisms. There is now growing interest in characterising the metabolisms of anchialine microbial communities, which is essential for understanding how complex ecosystems are supported in extreme environments, and assessing their vulnerability to environmental change. However, the diversity of metabolic strategies that are utilised in anchialine ecosystems remains poorly understood. Results Here, we employ shotgun metagenomics to elucidate the key microorganisms and their dominant metabolisms along a physicochemical profile in Bundera Sinkhole, the only known continental subterranean estuary in the Southern Hemisphere. Genome-resolved metagenomics suggests that the communities are largely represented by novel taxonomic lineages, with 75% of metagenome-assembled genomes assigned to entirely new or uncharacterised families. These diverse and novel taxa displayed depth-dependent metabolisms, reflecting distinct phases along dissolved oxygen and salinity gradients. In particular, the communities appear to drive nutrient feedback loops involving nitrification, nitrate ammonification, and sulphate cycling. Genomic analysis of the most highly abundant members in this system suggests that an important source of chemotrophic energy is generated via the metabolic coupling of nitrogen and sulphur cycling. Conclusion These findings substantially contribute to our understanding of the novel and specialised microbial communities in anchialine ecosystems, and highlight key chemosynthetic pathways that appear to be important in these energy-limited environments. Such knowledge is essential for the conservation of anchialine ecosystems, and sheds light on adaptive processes in extreme environments.

ABSTRACT Antimicrobial resistance in bacteria is a threat to both human and animal health. We aimed to understand the impact of domestication and antimicrobial treatment on the types and numbers of resistant bacteria, antibiotic resistance genes (ARGs), and class 1 integrons (C1I) in the equine gut microbiome. Antibiotic-resistant faecal bacteria were isolated from wild horses, healthy farm horses, and horses undergoing veterinary treatment, and isolates (9,083 colonies) were screened by PCR for C1I; these were found at frequencies of 9.8% (vet horses), 0.31% (farm horses), and 0.05% (wild horses). A collection of 71 unique C1I + isolates (17 Actinobacteria and 54 Proteobacteria) was subjected to resistance profiling and genome sequencing. Farm horses yielded mostly C1I + Actinobacteria ( Rhodococcus, Micrococcus, Microbacterium, Arthrobacter, Glutamibacter, Kocuria) , while vet horses primarily gave C1I + Proteobacteria ( Escherichia, Klebsiella, Enterobacter, Pantoea, Acinetobacter, Leclercia, Ochrobactrum) ; the vet isolates had more extensive resistance and stronger P C promoters in the C1Is. All integrons in Actinobacteria were flanked by copies of IS 6100 , except in Micrococcus , where a novel IS 5 family element (IS Mcte1 ) was implicated in mobilization. In the Proteobacteria, C1I’s were predominantly associated with IS 26 , and also IS 1 , Tn 21 , Tn 1721 , Tn 512 , and a putative formaldehyde-resistance transposon (Tn 7489 ). Several large C1I-containing plasmid contigs were retrieved; two of these (plasmid types Y and F) also had extensive sets of metal resistance genes, including a novel copper-resistance transposon (Tn 7519 ). Both veterinary treatment and domestication increase the frequency of C1I’s in equine gut microflora, and each of these anthropogenic factors selects for a distinct group of integron-containing bacteria. IMPORTANCE There is increasing acknowledgement that a ‘One Health’ approach is required to tackle the growing problem of antimicrobial resistance. This requires that the issue is examined from not only the perspective of human medicine, but also includes consideration of the roles of antimicrobials in veterinary medicine and agriculture, and recognises the importance of other ecological compartments in the dissemination of ARGs and mobile genetic elements such as C1I. We have shown that domestication and veterinary treatment increase the frequency of occurrence of C1I’s in the equine gut microflora, and that in healthy farm horses, the C1I are unexpectedly found in Actinobacteria, while in horses receiving antimicrobial veterinary treatments, a taxonomic shift occurs, and the more typical integron-containing Proteobacteria are found. We identified several new mobile genetic elements (plasmids, IS and transposons) on genomic contigs from the integron-containing equine bacteria.

Substrates of most transport proteins have not been identified, limiting our understanding of their role in physiology and disease. Traditional identification methods use transport assays with radioactive compounds, but they are technically challenging and many compounds are unavailable in radioactive form or are prohibitively expensive, precluding large-scale trials. Here, we present a high-throughput screening method that can identify candidate substrates from libraries of unlabeled compounds. The assay is based on the principle that transport proteins recognize substrates through specific interactions, which lead to enhanced stabilization of the transporter population in thermostability shift assays. Representatives of three different transporter (super)families were tested, which differ in structure as well as transport and ion coupling mechanisms. In each case, the substrates were identified correctly from a large set of chemically related compounds, including stereo-isoforms. In some cases, stabilization by substrate binding was enhanced further by ions, providing testable hypotheses on energy coupling mechanisms.