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Article Dans Une Revue Nature Microbiology Année : 2022

Standardized multi-omics of Earth’s microbiomes reveals microbial and metabolite diversity

Justin Shaffer , Louis-Félix Nothias , Luke Thompson , Jon Sanders , Rodolfo Salido , Sneha Couvillion , Asker Brejnrod , Franck Lejzerowicz , Niina Haiminen , Shi Huang , Holly Lutz , Qiyun Zhu , Cameron Martino , James Morton , Smruthi Karthikeyan , Mélissa Nothias-Esposito , Kai Dührkop , Sebastian Böcker , Hyun Woo Kim , Alexander Aksenov , Wout Bittremieux , Jeremiah Minich , Clarisse Marotz , Mackenzie Bryant , Karenina Sanders , Tara Schwartz , Greg Humphrey , Yoshiki Vásquez-Baeza , Anupriya Tripathi , Laxmi Parida , Anna Paola Carrieri , Kristen Beck , Promi Das , Antonio González , Daniel Mcdonald , Joshua Ladau , Søren Karst , Mads Albertsen , Gail Ackermann , Jeff Dereus , Torsten Thomas , Daniel Petras , Ashley Shade (1, 2) , James Stegen , Se Jin Song , Thomas Metz , Austin Swafford , Pieter Dorrestein , Janet Jansson , Jack Gilbert , Rob Knight , Lars Angenant , Alison Berry , Leonora Bittleston , Jennifer Bowen , Max Chavarría , Don Cowan , Dan Distel , Peter Girguis , Jaime Huerta-Cepas , Paul Jensen , Lingjing Jiang , Gary King , Anton Lavrinienko , Aurora Macrae-Crerar , Thulani Makhalanyane , Tapio Mappes , Ezequiel Marzinelli , Gregory Mayer , Katherine Mcmahon , Jessica Metcalf , Sou Miyake , Timothy Mousseau , Catalina Murillo-Cruz , David Myrold , Brian Palenik , Adrián Pinto-Tomás , Dorota Porazinska , Jean-Baptiste Ramond , Forest Rowher , Taniya Roychowdhury , Stuart Sandin , Steven Schmidt , Henning Seedorf , Ashley Shade , J. Reuben Shipway , Jennifer Smith , James Stegen , Frank Stewart , Karen Tait , Torsten Thomas , Yael Tucker , Jana U’ren , Phillip Watts , Nicole Webster , Jesse Zaneveld , Shan Zhang
Justin Shaffer
Louis-Félix Nothias
Luke Thompson
Jon Sanders
Rodolfo Salido
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Sneha Couvillion
Asker Brejnrod
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Franck Lejzerowicz
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Niina Haiminen
Shi Huang
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Holly Lutz
Qiyun Zhu
Cameron Martino
James Morton
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Smruthi Karthikeyan
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Mélissa Nothias-Esposito
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Kai Dührkop
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Sebastian Böcker
Hyun Woo Kim
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Alexander Aksenov
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Wout Bittremieux
Jeremiah Minich
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Clarisse Marotz
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Mackenzie Bryant
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Karenina Sanders
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Tara Schwartz
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Greg Humphrey
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Yoshiki Vásquez-Baeza
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Anupriya Tripathi
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Laxmi Parida
Anna Paola Carrieri
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Kristen Beck
Promi Das
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Antonio González
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Daniel Mcdonald
Joshua Ladau
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Søren Karst
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Mads Albertsen
Gail Ackermann
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Jeff Dereus
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Torsten Thomas
Daniel Petras
James Stegen
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Se Jin Song
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Thomas Metz
Austin Swafford
Pieter Dorrestein
Janet Jansson
Jack Gilbert
Rob Knight
Lars Angenant
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Alison Berry
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Leonora Bittleston
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Jennifer Bowen
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Max Chavarría
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Don Cowan
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Peter Girguis
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Jaime Huerta-Cepas
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Lingjing Jiang
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Anton Lavrinienko
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Yael Tucker
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Jana U’ren
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Phillip Watts
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Nicole Webster
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Jesse Zaneveld
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Shan Zhang
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Résumé

Abstract Despite advances in sequencing, lack of standardization makes comparisons across studies challenging and hampers insights into the structure and function of microbial communities across multiple habitats on a planetary scale. Here we present a multi-omics analysis of a diverse set of 880 microbial community samples collected for the Earth Microbiome Project. We include amplicon (16S, 18S, ITS) and shotgun metagenomic sequence data, and untargeted metabolomics data (liquid chromatography-tandem mass spectrometry and gas chromatography mass spectrometry). We used standardized protocols and analytical methods to characterize microbial communities, focusing on relationships and co-occurrences of microbially related metabolites and microbial taxa across environments, thus allowing us to explore diversity at extraordinary scale. In addition to a reference database for metagenomic and metabolomic data, we provide a framework for incorporating additional studies, enabling the expansion of existing knowledge in the form of an evolving community resource. We demonstrate the utility of this database by testing the hypothesis that every microbe and metabolite is everywhere but the environment selects. Our results show that metabolite diversity exhibits turnover and nestedness related to both microbial communities and the environment, whereas the relative abundances of microbially related metabolites vary and co-occur with specific microbial consortia in a habitat-specific manner. We additionally show the power of certain chemistry, in particular terpenoids, in distinguishing Earth’s environments (for example, terrestrial plant surfaces and soils, freshwater and marine animal stool), as well as that of certain microbes including Conexibacter woesei (terrestrial soils), Haloquadratum walsbyi (marine deposits) and Pantoea dispersa (terrestrial plant detritus). This Resource provides insight into the taxa and metabolites within microbial communities from diverse habitats across Earth, informing both microbial and chemical ecology, and provides a foundation and methods for multi-omics microbiome studies of hosts and the environment.
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Justin Shaffer, Louis-Félix Nothias, Luke Thompson, Jon Sanders, Rodolfo Salido, et al.. Standardized multi-omics of Earth’s microbiomes reveals microbial and metabolite diversity. Nature Microbiology, 2022, 7 (12), pp.2128-2150. ⟨10.1038/s41564-022-01266-x⟩. ⟨hal-04277809⟩
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