Reference genomes are essential for metagenomic analyses and functional characterization of the human gut microbiota. We present the Culturable Genome Reference (CGR), a collection of 1,520 nonredundant, high-quality draft genomes generated from >6,000 bacteria cultivated from fecal samples of healthy humans. Of the 1,520 genomes, which were chosen to cover all major bacterial phyla and genera in the human gut, 264 are not represented in existing reference genome catalogs. We show that this increase in the number of reference bacterial genomes improves the rate of mapping metagenomic sequencing reads from 50% to >70%, enabling higher-resolution descriptions of the human gut microbiome. We use the CGR genomes to annotate functions of 338 bacterial species, showing the utility of this resource for functional studies. We also carry out a pan-genome analysis of 38 important human gut species, which reveals the diversity and specificity of functional enrichment between their core and dispensable genomes. A resource of >1,500 bacterial reference genomes sheds light on the human gut microbiome.

More extensive use of metagenomic shotgun sequencing in microbiome research relies on the development of high-throughput, cost-effective sequencing. Here we present a comprehensive evaluation of the performance of the new high-throughput sequencing platform BGISEQ-500 for metagenomic shotgun sequencing and compare its performance with that of 2 Illumina platforms. Using fecal samples from 20 healthy individuals, we evaluated the intra-platform reproducibility for metagenomic sequencing on the BGISEQ-500 platform in a setup comprising 8 library replicates and 8 sequencing replicates. Cross-platform consistency was evaluated by comparing 20 pairwise replicates on the BGISEQ-500 platform vs the Illumina HiSeq 2000 platform and the Illumina HiSeq 4000 platform. In addition, we compared the performance of the 2 Illumina platforms against each other. By a newly developed overall accuracy quality control method, an average of 82.45 million high-quality reads (96.06% of raw reads) per sample, with 90.56% of bases scoring Q30 and above, was obtained using the BGISEQ-500 platform. Quantitative analyses revealed extremely high reproducibility between BGISEQ-500 intra-platform replicates. Cross-platform replicates differed slightly more than intra-platform replicates, yet a high consistency was observed. Only a low percentage (2.02%–3.25%) of genes exhibited significant differences in relative abundance comparing the BGISEQ-500 and HiSeq platforms, with a bias toward genes with higher GC content being enriched on the HiSeq platforms. Our study provides the first set of performance metrics for human gut metagenomic sequencing data using BGISEQ-500. The high accuracy and technical reproducibility confirm the applicability of the new platform for metagenomic studies, though caution is still warranted when combining metagenomic data from different platforms.

Abstract More than a decade of gut microbiome studies have a common goal for human health. As most of the disease studies sample the elderly or the middle-aged, a reference cohort for young individuals has been lacking. It is also not clear what other omics data need to be measured to better understand the gut microbiome. Here we present high-depth metagenomic shotgun sequencing data for the fecal microbiome together with other omics data in a cohort of 2,183 adults, and observe a number of vitamins, hormones, amino acids and trace elements to correlate with the gut microbiome and cluster with T cell receptors. Associations with physical fitness, sleeping habits and dairy consumption are identified in this large multi-omic cohort. Many of the associations are validated in an additional cohort of 1,404 individuals. Our comprehensive data are poised to advise future study designs to better understand and manage our gut microbiome both in population and in mechanistic investigations.

A decade of studies has established the importance of the gut microbiome in human health. In spite of sex differences in the physiology, lifespan, and prevalence of many age-associated diseases, sex and age disparities in the gut microbiota have been little studied. Here we show age-related sex differences in the adult gut microbial composition and functionality in two community-based cohorts from Northern China and the Netherlands. Consistently, women harbour a more diverse and stable microbial community across broad age ranges, whereas men exhibit a more variable gut microbiota strongly correlated with age. Reflecting the sex-biased age-gut microbiota interaction patterns, sex differences observed in younger adults are considerably reduced in the elderly population. Our findings highlight the age- and sex-biased differences in the adult gut microbiota across two ethnic population and emphasize the need for considering age and sex in studies of the human gut microbiota.

The oral cavity of each person is home for hundreds of bacterial species. While taxa for oral diseases have been well studied using culture-based as well as amplicon sequencing methods, metagenomic and genomic information remain scarce compared to the fecal microbiome. Here we provide metagenomic shotgun data for 3346 oral metagenomics samples, and together with 808 published samples, assemble 56,213 metagenome-assembled genomes (MAGs). 64% of the 3,589 species-level genome bins contained no publicly available genomes, others with only a handful. The resulting genome collection is representative of samples around the world and across physiological conditions, contained many genomes from Candidate phyla radiation (CPR) which lack monoculture, and enabled discovery of new taxa such as a family within the Acholeplasmataceae order. New biomarkers were identified for rheumatoid arthritis or colorectal cancer, which would be more convenient than fecal samples. The large number of metagenomic samples also allowed assembly of many strains from important oral taxa such as Porphyromonas and Neisseria. Predicted functions enrich in drug metabolism and small molecule synthesis. Thus, these data lay down a genomic framework for future inquiries of the human oral microbiome.