Abstract Marine planktonic eukaryotes play a critical role in global biogeochemical cycles and climate. However, their poor representation in culture collections limits our understanding of the evolutionary history and genomic underpinnings of planktonic ecosystems. Here, we used 280 billion Tara Oceans metagenomic reads from polar, temperate, and tropical sunlit oceans to reconstruct and manually curate more than 700 abundant and widespread eukaryotic environmental genomes ranging from 10 Mbp to 1.3 Gbp. This genomic resource covers a wide range of poorly characterized eukaryotic lineages that complement long-standing contributions from culture collections while better representing plankton in the upper layer of the oceans. We performed the first comprehensive genome-wide functional classification of abundant unicellular eukaryotic plankton, revealing four major groups connecting distantly related lineages. Neither trophic modes of plankton nor its vertical evolutionary history could explain the functional repertoire convergence of major eukaryotic lineages that coexisted within oceanic currents for millions of years. Cover Navigating on the map of plankton genomics with Tara Oceans and anvi’o: a comprehensive genome-resolved metagenomic survey dedicated to eukaryotic plankton.

Summary Microbes are phylogenetically and metabolically diverse. Yet capturing this diversity, assigning functions to host organisms and exploring the biosynthetic potential in natural environments remains challenging. We reconstructed >25,000 draft genomes, including from >2,500 uncharacterized species, from globally-distributed ocean microbial communities, and combined them with ∼10,000 genomes from cultivated and single cells. Mining this resource revealed ∼40,000 putative biosynthetic gene clusters (BGCs), many from unknown phylogenetic groups. Among these, we discovered Candidatus Eudoremicrobiaceae as one of the most biosynthetically diverse microbes detected to date. Discrete transcriptional states structuring natural populations were associated with a potentially niche-partitioning role for BGC products. Together with the characterization of the first Eudoremicrobiaceae natural product, this study demonstrates how microbiomics enables prospecting for candidate bioactive compounds in underexplored microbes and environments.

Abstract Ocean microbes drive global-scale biogeochemical cycling 1 , but do so under constraints imposed by viruses on host community composition, metabolism, and evolutionary trajectories 2–5 . Due to sampling and cultivation challenges, genome-level viral diversity remains poorly described and grossly understudied in nature such that <1% of observed surface ocean viruses, even those that are abundant and ubiquitous, are ‘known’ 5 . Here we analyze a global map of abundant, double stranded DNA (dsDNA) viruses and viral-encoded auxiliary metabolic genes (AMGs) with genomic and ecological contexts through the Global Ocean Viromes (GOV) dataset, which includes complete genomes and large genomic fragments from both surface and deep ocean viruses sampled during the Tara Oceans and Malaspina research expeditions 6,7 . A total of 15,222 epi- and mesopelagic viral populations were identified that comprised 867 viral clusters (VCs, approximately genus-level groups 8,9 ). This roughly triples known ocean viral populations 10 , doubles known candidate bacterial and archaeal virus genera 9 , and near-completely samples epipelagic communities at both the population and VC level. Thirty-eight of the 867 VCs were identified as the most impactful dsDNA viral groups in the oceans, as these were locally or globally abundant and accounted together for nearly half of the viral populations in any GOV sample. Most of these were predicted in silico to infect dominant, ecologically relevant microbes, while two thirds of them represent newly described viruses that lacked any cultivated representative. Beyond these taxon-specific ecological observations, we identified 243 viral-encoded AMGs in GOV, only 95 of which were known. Deeper analyses of 4 of these AMGs revealed that abundant viruses directly manipulate sulfur and nitrogen cycling, and do so throughout the epipelagic ocean. Together these data provide a critically-needed organismal catalog and functional context to begin meaningfully integrating viruses into ecosystem models as key players in nutrient cycling and trophic networks.

Abstract While the pivotal role of linker histone H1 in shaping nucleosome organization is well established, its functional interplays with chromatin factors along the epigenome are just starting to emerge. Here we first report that in Arabidopsis , as in mammals, H1 occupies Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) target genes where it favors chromatin condensation and H3K27me3 deposition. We further show that, contrasting with its conserved function in PRC2 activation at genes, H1 selectively prevents H3K27me3 accumulation at telomeres and large pericentromeric interstitial telomeric repeat (ITR) domains by restricting DNA accessibility to Telomere Repeat Binding (TRB) proteins, a group of H1-related Myb factors mediating PRC2 cis recruitment. This study unveils a mechanistic framework by which H1 avoids the formation of gigantic H3K27me3-rich domains at telomeric sequences and contributes to safeguard nucleus architecture. Abstract Figure Teano et al. report that that linker histone H1 and a group of H1-related telomeric proteins interplay to selectively influence the Polycomb repressive landscape at genes and telomeric repeats in Arabidopsis . These findings provide a mechanistic framework by which H1 influences the epigenome and nuclear organization in a sequence-specific manner. Highlights H1 promotes PRC2 activity and limits accessibility at a majority of genes H1 prevents PRC2 activity at telomeric DNA sequences PRC2 repression is achieved by restricting accessibility to TRB proteins H1 orchestrates the spatial organization of telomeres and interstitial telomeres (ITRs)

Summary The Arctic Ocean is a key player in the regulation of climate and at the same time is under increasing pressure as a result of climate change. Predicting the future of this ecosystem requires understanding of the responses of Arctic microorganisms to environmental change, as they are the main drivers of global biogeochemical cycles. However, little is known about the ecology and metabolic potential of active Arctic microbes. Here, we reconstructed a total of 3,550 metagenomic bins from 41 seawater metagenomes collected as part of the Tara Oceans expedition, covering five different Arctic Ocean regions as well as the sub-Arctic North Atlantic Ocean and including various depths and different seasons (spring to autumn). Of these bins, 530 could be classified as Metagenome Assembled Genomes (MAGs) and over 75% of them represented novel species. We describe their habitat range and environmental preferences, as well as their metabolic capabilities, building the most comprehensive dataset of uncultured bacterial and archaeal genomes from the Arctic Ocean to date. We found a prevalence of mixotrophs, while chemolithoautotrophs were mostly present in the mesopelagic Arctic Ocean during spring and autumn. Finally, the catalogue of Arctic MAGs was complemented with metagenomes and metatranscriptomes from the global ocean to identify the most active MAGs present exclusively in polar metagenomes. These polar MAGs, which display a range of metabolic strategies, might represent Arctic sentinels of climate change and should be considered in prospective studies of the future state of the Arctic Ocean.

Abstract Marine plankton form complex communities of interacting organisms at the base of the food web, which sustain oceanic biogeochemical cycles, and help regulate climate. Though global surveys are starting to reveal ecological drivers underlying planktonic community structure, and predicted climate change responses, it is unclear how community-scale species interactions will be affected by climate change. Here we leveraged Tara Oceans sampling to infer a global ocean cross-domain plankton co-occurrence network – the community interactome – and used niche modeling to assess its vulnerabilities to environmental change. Globally, this revealed a plankton interactome self-organized latitudinally into marine biomes (Trades, Westerlies, Polar), and more connected poleward. Integrated niche modeling revealed biome-specific community interactome responses to environmental change, and forecasted most affected lineages for each community. These results provide baseline approaches to assess community structure and organismal interactions under climate scenarios, while identifying plausible plankton bioindicators for ocean monitoring of climate change.

Abstract Biological nitrogen fixation is a major factor contributing to microbial primary productivity in the open ocean. The current view depicts a few cyanobacterial diazotrophs as the most relevant marine nitrogen fixers, whereas heterotrophic diazotrophs are more diverse and considered to have lower impacts on the nitrogen balance. Here, we used 891 Tara Oceans metagenomes to create a manually curated, non-redundant genomic database corresponding to free-living, as well as filamentous, colony-forming, particle-attached and symbiotic bacterial and archaeal populations occurring in the surface of five oceans and two seas. Notably, the database provided the genomic content of eight cyanobacterial diazotrophs including Trichodesmium populations and a newly discovered population similar to Richelia , as well as 40 heterotrophic bacterial diazotrophs organized into three main functional groups that considerably expand the known diversity of abundant marine nitrogen fixers compared to previous genomic surveys. Critically, these 48 populations may account for more than 90% of cells containing known nifH genes and occurring in the sunlit ocean, suggesting that the genomic characterization of the most abundant marine diazotrophs may be nearing completion. The newly identified heterotrophic bacterial diazotrophs are widespread, express their nifH genes in situ , and co-occur under nitrate-depleted conditions in large size fractions where they might form aggregates providing the low-oxygen microenvironments required for nitrogen fixation. Most significantly, we found heterotrophic bacterial diazotrophs to be more abundant than cyanobacterial diazotrophs in most metagenomes from the open oceans and seas. This large-scale environmental genomic survey emphasizes the considerable potential of heterotrophs in the marine nitrogen balance.

Abstract Biological nitrogen fixation plays a critical role in marine primary production, yet, our understanding of marine N 2 -fixers (diazotrophs) is hindered by limited observations. Here, we developed a quantitative image analysis pipeline in concert with mapping of molecular markers for mining >2,000,000 images and >1,300 metagenomes in surface, deep chlorophyll maximum and mesopelagic samples across 6 size fractions (<0.2-2000 μm). Imaging and PCR-free molecular data were remarkably congruent. Sequences from diazotrophs were detected from the ultrasmall bacterioplankton (<0.2 μm) to mesoplankton (180-2000 μm), while images predicted symbiotic and colonial-forming diazotrophs (>20 µm). Imaging and molecular data estimated that polyploidy can significantly impact gene abundances of symbiotic vs colonial-forming diazotrophs. In general our results support the canonical view that larger sized diazotrophs (>10 μm) dominate the tropical belts, while sequences from unicellular cyanobacterial and non-cyanobacterial diazotrophs were globally distributed in surface and the mesopelagic. Co-occurring diazotrophic lineages of different lifestyles were frequently encountered, and several new high density regions of diazotrophs were identified in the global ocean. Overall, this work provides an update of marine diazotroph biogeographical diversity and contributes a new bio-imaging-informatic workflow.

Abstract The Tara Pacific expedition (2016-2018) sampled coral ecosystems around 32 islands in the Pacific Ocean and the ocean surface waters at 249 locations, resulting in the collection of nearly 58,000 samples. The expedition was designed to systematically study warm coral reefs and included the collection of corals, fish, plankton, and seawater samples for advanced biogeochemical, molecular, and imaging analysis. Here we provide a complete description of the sampling methodology, and we explain how to explore and access the different datasets generated by the expedition. Environmental context data were obtained from taxonomic registries, gazetteers, almanacs, climatologies, operational biogeochemical models, and satellite observations. The quality of the different environmental measures has been validated not only by various quality control steps but also through a global analysis allowing the comparison with known environmental large-scale structures. Such a wide released datasets opens the perspective to address a wide range of scientific questions.

Summary In multicellular organisms, Polycomb Repressive Complex2 (PRC2) is known to deposit H3K27me3 to establish and maintain gene silencing, critical for developmentally regulated processes. PRC2 complex is absent in both widely studied model yeasts which initially suggested that PRC2 arose with the emergence of multicellularity. However, its discovery in several unicellular species including microalgae questions its role in unicellular eukaryotes. Here, we use Phaeodactylum tricornutum enhancer of zeste E(z) knockouts and show that P. tricornutum E(z) is responsible for di and tri-methylation of lysine 27 of histone H3. H3K27me3 depletion abolishes cell morphology in P. tricornutum providing evidence for its role in cell differentiation. Genome wide profiling of H3K27me3 in fusiform and triradiate cells further revealed genes that may specify cell identity. These results suggest a role for PRC2 and its associated mark in cell differentiation in unicellular species and highlight their ancestral function in a broader evolutionary context than is currently appreciated.