The Integrated Microbial Genomes (IMG) system serves as a community resource for comparative analysis of publicly available genomes in a comprehensive integrated context. IMG integrates publicly available draft and complete genomes from all three domains of life with a large number of plasmids and viruses. IMG provides tools and viewers for analyzing and reviewing the annotations of genes and genomes in a comparative context. IMG's data content and analytical capabilities have been continuously extended through regular updates since its first release in March 2005. IMG is available at http://img.jgi.doe.gov. Companion IMG systems provide support for expert review of genome annotations (IMG/ER: http://img.jgi.doe.gov/er), teaching courses and training in microbial genome analysis (IMG/EDU: http://img.jgi.doe.gov/edu) and analysis of genomes related to the Human Microbiome Project (IMG/HMP: http://www.hmpdacc-resources.org/img_hmp).

Wood-feeding higher termites are a very successful group, important in facilitating carbon turnover in the environment. It is not the termites themselves that perform the key reactions that makes their lifestyle possible, but the lignocellulase-degrading symbiotic bacteria found in their hindgut. A metagenomic analysis of gut microbes from over 150 tree-living termites from a Costa Rican rainforest has revealed a diverse range of bacterial cellulase and xylan hydrolase genes, as well as genes important in other symbiotic functions. The data set includes about 1,000 bacterial lignocellulose hydrolase enzymes, some of them expressed in situ, in living termites. This work shows that termites are a rich reservoir of bacterial enzymes that might be used in the conversion of woody material into biofuels. Wood-feeding 'higher' termites rely on their hindgut symbionts for the intitial steps in cellulose degradation. Metagenomic analysis of this microbial community reveals a diverse range of bacterial cellulase and hydrolase genes, as well as genes important in other metabolic functions, such as H2 metabolism, CO2-reductive acetogenesis and N2 fixation. From the standpoints of both basic research and biotechnology, there is considerable interest in reaching a clearer understanding of the diversity of biological mechanisms employed during lignocellulose degradation. Globally, termites are an extremely successful group of wood-degrading organisms1 and are therefore important both for their roles in carbon turnover in the environment and as potential sources of biochemical catalysts for efforts aimed at converting wood into biofuels. Only recently have data supported any direct role for the symbiotic bacteria in the gut of the termite in cellulose and xylan hydrolysis2. Here we use a metagenomic analysis of the bacterial community resident in the hindgut paunch of a wood-feeding ‘higher’ Nasutitermes species (which do not contain cellulose-fermenting protozoa) to show the presence of a large, diverse set of bacterial genes for cellulose and xylan hydrolysis. Many of these genes were expressed in vivo or had cellulase activity in vitro, and further analyses implicate spirochete and fibrobacter species in gut lignocellulose degradation. New insights into other important symbiotic functions including H2 metabolism, CO2-reductive acetogenesis and N2 fixation are also provided by this first system-wide gene analysis of a microbial community specialized towards plant lignocellulose degradation. Our results underscore how complex even a 1-μl environment can be.

Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) is one of the best-studied microbially mediated industrial processes because of its ecological and economic relevance. Despite this, it is not well understood at the metabolic level. Here we present a metagenomic analysis of two lab-scale EBPR sludges dominated by the uncultured bacterium, “Candidatus Accumulibacter phosphatis.” The analysis sheds light on several controversies in EBPR metabolic models and provides hypotheses explaining the dominance of A. phosphatis in this habitat, its lifestyle outside EBPR and probable cultivation requirements. Comparison of the same species from different EBPR sludges highlights recent evolutionary dynamics in the A. phosphatis genome that could be linked to mechanisms for environmental adaptation. In spite of an apparent lack of phylogenetic overlap in the flanking communities of the two sludges studied, common functional themes were found, at least one of them complementary to the inferred metabolism of the dominant organism. The present study provides a much needed blueprint for a systems-level understanding of EBPR and illustrates that metagenomics enables detailed, often novel, insights into even well-studied biological systems.

We have developed a microfluidic device that allows the isolation and genome amplification of individual microbial cells, thereby enabling organism-level genomic analysis of complex microbial ecosystems without the need for culture. This device was used to perform a directed survey of the human subgingival crevice and to isolate bacteria having rod-like morphology. Several isolated microbes had a 16S rRNA sequence that placed them in candidate phylum TM7, which has no cultivated or sequenced members. Genome amplification from individual TM7 cells allowed us to sequence and assemble >1,000 genes, providing insight into the physiology of members of this phylum. This approach enables single-cell genetic analysis of any uncultivated minority member of a microbial community.

The Integrated Microbial Genomes (IMG) data warehouse integrates genomes from all three domains of life, as well as plasmids, viruses and genome fragments. IMG provides tools for analyzing and reviewing the structural and functional annotations of genomes in a comparative context. IMG's data content and analytical capabilities have increased continuously since its first version released in 2005. Since the last report published in the 2012 NAR Database Issue, IMG's annotation and data integration pipelines have evolved while new tools have been added for recording and analyzing single cell genomes, RNA Seq and biosynthetic cluster data. Different IMG datamarts provide support for the analysis of publicly available genomes (IMG/W: http://img.jgi.doe.gov/w), expert review of genome annotations (IMG/ER: http://img.jgi.doe.gov/er) and teaching and training in the area of microbial genome analysis (IMG/EDU: http://img.jgi.doe.gov/edu).

Symbioses between bacteria and eukaryotes are ubiquitous, yet our understanding of the interactions driving these associations is hampered by our inability to cultivate most host-associated microbes. Here we use a metagenomic approach to describe four co-occurring symbionts from the marine oligochaete Olavius algarvensis, a worm lacking a mouth, gut and nephridia. Shotgun sequencing and metabolic pathway reconstruction revealed that the symbionts are sulphur-oxidizing and sulphate-reducing bacteria, all of which are capable of carbon fixation, thus providing the host with multiple sources of nutrition. Molecular evidence for the uptake and recycling of worm waste products by the symbionts suggests how the worm could eliminate its excretory system, an adaptation unique among annelid worms. We propose a model that describes how the versatile metabolism within this symbiotic consortium provides the host with an optimal energy supply as it shuttles between the upper oxic and lower anoxic coastal sediments that it inhabits.

The Integrated Microbial Genomes with Microbiome Samples (IMG/M: https://img.jgi.doe.gov/m/) system contains annotated DNA and RNA sequence data of (i) archaeal, bacterial, eukaryotic and viral genomes from cultured organisms, (ii) single cell genomes (SCG) and genomes from metagenomes (GFM) from uncultured archaea, bacteria and viruses and (iii) metagenomes from environmental, host associated and engineered microbiome samples. Sequence data are generated by DOE's Joint Genome Institute (JGI), submitted by individual scientists, or collected from public sequence data archives. Structural and functional annotation is carried out by JGI's genome and metagenome annotation pipelines. A variety of analytical and visualization tools provide support for examining and comparing IMG/M's datasets. IMG/M allows open access interactive analysis of publicly available datasets, while manual curation, submission and access to private datasets and computationally intensive workspace-based analysis require login/password access to its expert review (ER) companion system (IMG/M ER: https://img.jgi.doe.gov/mer/). Since the last report published in the 2014 NAR Database Issue, IMG/M's dataset content has tripled in terms of number of datasets and overall protein coding genes, while its analysis tools have been extended to cope with the rapid growth in the number and size of datasets handled by the system.

IMG/M is a data management and analysis system for microbial community genomes (metagenomes) hosted at the Department of Energy's (DOE) Joint Genome Institute (JGI). IMG/M consists of metagenome data integrated with isolate microbial genomes from the Integrated Microbial Genomes (IMG) system. IMG/M provides IMG's comparative data analysis tools extended to handle metagenome data, together with metagenome-specific analysis tools. IMG/M is available at http://img.jgi.doe.gov/m.

The DOE-JGI Microbial Genome Annotation Pipeline performs structural and functional annotation of microbial genomes that are further included into the Integrated Microbial Genome comparative analysis system. MGAP is applied to assembled nucleotide sequence datasets that are provided via the IMG submission site. Dataset submission for annotation first requires project and associated metadata description in GOLD. The MGAP sequence data processing consists of feature prediction including identification of protein-coding genes, non-coding RNAs and regulatory RNA features, as well as CRISPR elements. Structural annotation is followed by assignment of protein product names and functions.