We present QIIME 2, an open-source microbiome data science platform accessible to users spanning the microbiome research ecosystem, from scientists and engineers to clinicians and policy makers. QIIME 2 provides new features that will drive the next generation of microbiome research. These include interactive spatial and temporal analysis and visualization tools, support for metabolomics and shotgun metagenomics analysis, and automated data provenance tracking to ensure reproducible, transparent microbiome data science.

Plant specialized metabolites have ecological functions, yet the presence of numerous uncharacterized biosynthetic genes in plant genomes suggests that many molecules remain unknown. We discovered a triterpene biosynthetic network in the roots of the small mustard plant Arabidopsis thaliana. Collectively, we have elucidated and reconstituted three divergent pathways for the biosynthesis of root triterpenes, namely thalianin (seven steps), thalianyl medium-chain fatty acid esters (three steps), and arabidin (five steps). A. thaliana mutants disrupted in the biosynthesis of these compounds have altered root microbiota. In vitro bioassays with purified compounds reveal selective growth modulation activities of pathway metabolites toward root microbiota members and their biochemical transformation and utilization by bacteria, supporting a role for this biosynthetic network in shaping an Arabidopsis-specific root microbial community.

Abstract Data visualization plays a crucial role in illustrating results and sharing knowledge among researchers. Though many types of visualization tools are widely used, most of them require enough coding experience or are designed for specialized usages, or are not free. Here, we present ImageGP, a specialized visualization platform designed for biology and chemistry data illustration. ImageGP could generate generalized plots like lines, bars, scatters, boxes, sets, heatmaps, and histograms with the most common input content in a user‐friendly interface. Normally plotting using ImageGP only needs a few mouse clicks. For some plots, one only needs to just paste data and click submit to get the visualization results. Additionally, ImageGP supplies up to 26 parameters to meet customizable requirements. ImageGP also contains specialized plots like volcano plot, functional enrichment plot for most omics‐data analysis, and other four specialized functions for microbiome analysis. Since 2017, ImageGP has been running for nearly 5 years and serving 336,951 visits from all over the world. Together, ImageGP ( http://www.ehbio.com/ImageGP/ ) is an effective and efficient tool for experimental researchers to comprehensively visualize and interpret data generated from wet‐lab and dry‐lab.

Nitrogen (N) is a major driving force for crop yield improvement, but application of high levels of N delays flowering, prolonging maturation and thus increasing the risk of yield losses. Therefore, traits that enable utilization of high levels of N without delaying maturation will be highly desirable for crop breeding. Here, we show that OsNRT1.1A (OsNPF6.3), a member of the rice (Oryza sativa) nitrate transporter 1/peptide transporter family, is involved in regulating N utilization and flowering, providing a target to produce high yield and early maturation simultaneously. OsNRT.1A has functionally diverged from previously reported NRT1.1 genes in plants and functions in upregulating the expression of N utilization-related genes not only for nitrate but also for ammonium, as well as flowering-related genes. Relative to the wild type, osnrt1.1a mutants exhibited reduced N utilization and late flowering. By contrast, overexpression of OsNRT1.1A in rice greatly improved N utilization and grain yield, and maturation time was also significantly shortened. These effects were further confirmed in different rice backgrounds and also in Arabidopsis thaliana Our study paves a path for the use of a single gene to dramatically increase yield and shorten maturation time for crops, outcomes that promise to substantially increase world food security.

The network analysis has attracted increasing attention and interest from ecological academics, thus it is of great necessity to develop more convenient and powerful tools. For that reason, we have developed an R package, named "ggClusterNet," to complete and display the network analysis in an easier manner. In that package, ten network layout algorithms are designed to better display the modules of microbiome network (randomClusterG, PolygonClusterG, PolygonRrClusterG, ArtifCluster, randSNEClusterG, PolygonModsquareG, PolyRdmNotdCirG, model_Gephi.2, model_igraph, and model_maptree). For the convenience of the users, many functions related to microbial network analysis, such as corMicor(), net_properties(), node_properties(), ZiPiPlot(), random_Net_compate(), are integrated to complete the network mining. Furthermore, the pipeline function named network.2() and corBionetwork() are also added for the quick achievement of the network or bipartite network analysis as well as their in-depth mining. The ggClusterNet is publicly available via GitHub (https://github.com/taowenmicro/ggClusterNet/) or Gitee (https://gitee.com/wentaomicro/ggClusterNet) for users' access. A complete description of the usages can be found on the manuscript's GitHub page (https://github.com/taowenmicro/ggClusterNet/wiki).

Abstract Metagenomic binning enables the in-depth characterization of microorganisms. To improve the resolution and efficiency of metagenomic binning, BASALT (Binning Across a Series of AssembLies Toolkit), a novel binning toolkit was present in this study, which recovers, compares and optimizes metagenomic assembled genomes (MAGs) across a series of assemblies from short-read, long-read or hybrid strategies. BASALT incorporates self-designed algorithms which automates the separation of redundant bins, elongate and refine best bins and improve contiguity. Evaluation using mock communities revealed that BASALT auto-binning obtained up to 51% more number of MAGs with up to 10 times better MAG quality from microbial community at low (132 genomes) and medium (596 genomes) complexity, compared to other binners such as DASTool, VAMB and metaWRAP. Using BASALT, a case-study analysis of a Salt Lake sediment microbial community from northwest arid region of China was performed, resulting in 426 non-redundant MAGs, including 352 and 69 bacterial and archaeal MAGs which could not be assigned to any known species from GTDB (ANI < 95%), respectively. In addition, two Lokiarchaeotal MAGs that belong to superphylum Asgardarchaeota were observed from Salt Lake sediment samples. This is the first time that candidate species from phylum Lokiarchaeota was found in the arid and deep-inland environment, filling the current knowledge gap of earth microbiome. Overall, BASALT is proven to be a robust toolkit for metagenomic binning, and more importantly, expand the Tree of Life.

Abstract The emergence of tet (X) genes has compromised the clinical use of the last-line antibiotic tigecycline. We identified 322 (1.21%) tet (X) positive samples from 12,829 human microbiome samples distributed in four continents (Asia, Europe, North America and South America) using retrospective data from worldwide. These tet (X) genes were dominated by tet (X2)-like orthologs but we also identified 12 samples carrying novel tet (X) genes, designed tet (X15) and tet (X16), that were resistant to tigecycline. The metagenomic analysis revealed these tet (X) genes distributed in anaerobes dominated by Bacteroidaceae (78.89%) of human-gut origin. The transmission of these tet (X2)-like orthologs between Bacteroidaceae and Riemerella anatipestifer was primarily promoted by the mobile elements IS Bf11 and IS 4351. tet (X2)-like orthologs was also developed during transmission by mutation to high-level tigecycline resistant determinants tet (X15) and tet (X16). Further tracing these tet (X) in single bacterial isolate from public repository indicated that tet (X) genes were present as early as 1960s in R. anatipestifer that was the primary tet (X) carrier at early stage (before 2000). The tet (X2) and non- tet (X2) orthologs were primarily distributed in humans and food animals respectively, and non- tet (X2) were dominated by tet (X3) and tet (X4). Genomic comparison indicated these tet (X) genes were likely to be generated during tet (X) transmission between Flavobacteriaceae and E. coli / Acinetobacter spp.., and IS CR2 played a key role in the transmission. These results suggest R. anatipestifer was the potential ancestral source of tet (X) gene. Additionally, Bacteroidaceae of human-gut origin was an important hidden reservoir and mutational incubator for the mobile tet (X) genes that enabled spread to facultative anaerobes and aerobes.

Abstract Exploring natural diversity of functional genes/proteins from environmental DNA (eDNA) in a high-throughput fashion remains challenging. In this study, we developed a sequence-based functional metagenomics procedure for mining the diversity of copper resistance gene copA in global microbiomes, by combining the metagenomic assembly technology, local BLAST, evolutionary trace analysis (ETA), chemical synthesis, and conventional functional genomics. In total, 88 metagenomes were collected from a public database and subjected to copA detection, resulting in 93,899 hits. Manual curation of 1214 hits of high-confidence led to the retrieval of 517 unique CopA candidates, which were further subjected to ETA. Eventually 175 novel copA sequences of high-quality were discovered. Phylogenetic analysis showed that almost all of these putative CopA proteins are distantly related to known CopA proteins, with 55 sequences from totally unknown species. Ten novel and three known copA genes were chemically synthesized for further functional genomic tests using the Cu-sensitive Escherichia coli (Δ copA ). Growth test and Cu uptake determination showed that five novel clones had positive effects on host Cu resistance and uptake. One recombinant harboring copA -like 15 ( copAL15 ) successfully restored Cu resistance of host with a substantially enhanced Cu uptake. Two novel copA genes were fused with the gfp gene and expressed in E. coli for microscopic observation. Imaging results showed that they were successfully expressed and their proteins were localized to the membrane. The results here greatly expand the diversity of known CopA proteins, and the sequence-based procedure developed overcomes biases in length, screening methods, and abundance of conventional functional metagenomics.