Diatoms, a type of microscopic marine and freshwater alga, dominate the oceans and are responsible for about a fifth of the primary productivity on Earth. The complete genome sequence of Phaeodactylum tricornutum is reported in this issue, the second diatom to be sequenced. Comparisons with Thalassiosira pseudonana, the first, reveal that hundreds of diatom genes have been acquired by gene transfer from bacteria — or vice versa. Gene transfer appears to have been common during diatom evolution, creating unorthodox combinations of genes — including some from plants and animals — likely to play major roles in nutrient management and environmental signalling. Diatoms are photosynthetic secondary endosymbionts found throughout marine and freshwater environments, and are believed to be responsible for around one-fifth of the primary productivity on Earth1,2. The genome sequence of the marine centric diatom Thalassiosira pseudonana was recently reported, revealing a wealth of information about diatom biology3,4,5. Here we report the complete genome sequence of the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum and compare it with that of T. pseudonana to clarify evolutionary origins, functional significance and ubiquity of these features throughout diatoms. In spite of the fact that the pennate and centric lineages have only been diverging for 90 million years, their genome structures are dramatically different and a substantial fraction of genes (∼40%) are not shared by these representatives of the two lineages. Analysis of molecular divergence compared with yeasts and metazoans reveals rapid rates of gene diversification in diatoms. Contributing factors include selective gene family expansions, differential losses and gains of genes and introns, and differential mobilization of transposable elements. Most significantly, we document the presence of hundreds of genes from bacteria. More than 300 of these gene transfers are found in both diatoms, attesting to their ancient origins, and many are likely to provide novel possibilities for metabolite management and for perception of environmental signals. These findings go a long way towards explaining the incredible diversity and success of the diatoms in contemporary oceans.

In vast expanses of the oceans, growth of large phytoplankton such as diatoms is limited by iron availability. Diatoms respond almost immediately to the delivery of iron and rapidly compose the majority of phytoplankton biomass. The molecular bases underlying the subsistence of diatoms in iron-poor waters and the plankton community dynamics that follow iron resupply remain largely unknown. Here we use comparative metatranscriptomics to identify changes in gene expression associated with iron-stimulated growth of diatoms and other eukaryotic plankton. A microcosm iron-enrichment experiment using mixed-layer waters from the northeastern Pacific Ocean resulted in increased proportions of diatom transcripts and reduced proportions of transcripts from most other taxa within 98 h after iron addition. Hundreds of diatom genes were differentially expressed in the iron-enriched community compared with the iron-limited community; transcripts of diatom genes required for synthesis of photosynthesis and chlorophyll components, nitrate assimilation and the urea cycle, and synthesis of carbohydrate storage compounds were significantly overrepresented. Transcripts of genes encoding rhodopsins in eukaryotic phytoplankton were significantly underrepresented following iron enrichment, suggesting rhodopsins help cells cope with low-iron conditions. Oceanic diatoms appear to display a distinctive transcriptional response to iron enrichment that allows chemical reduction of available nitrogen and carbon sources along with a continued dependence on iron-free photosynthetic proteins rather than substituting for iron-containing functional equivalents present within their gene repertoire. This ability of diatoms to divert their newly acquired iron toward nitrate assimilation may underlie why diatoms consistently dominate iron enrichments in high-nitrate, low-chlorophyll regions.

Abstract To better quantify the ocean’s biological carbon pump, we resolved the diversity of sinking particles that transport carbon into the ocean’s interior, their contribution to carbon export, and their attenuation with depth. Sinking particles collected in sediment trap gel layers from 4 distinct ocean ecosystems were imaged, measured, and classified. The size and identity of particles was used to model their contribution to particulate organic carbon (POC) flux. Measured POC fluxes were reasonably predicted by particle images. Nine particle types were identified, and most of the compositional variability was driven by the relative contribution of aggregates, long cylindrical fecal pellets, and salp fecal pellets. While particle composition varied across locations and seasons, the entire range of compositions was measured at a single well-observed location in the subarctic North Pacific over 1 month, across 500 m of depth. The magnitude of POC flux was not consistently associated with a dominant particle class, but particle classes did influence flux attenuation. Long fecal pellets attenuated most rapidly with depth whereas certain other classes attenuated little or not at all with depth. Small particles (<100 μ m) consistently contributed ∼5% to total POC flux in samples with higher magnitude fluxes. The relative importance of these small particle classes (spherical mini pellets, short oval fecal pellets, and dense detritus) increased in low flux environments (up to 46% of total POC flux). Imaging approaches that resolve large variations in particle composition across ocean basins, depth, and time will help to better parameterize biological carbon pump models.

Abstract Food webs trace the flow of organic matter and energy among producers and consumers; for pelagic marine food webs, network complexity directly influences the amount and form of carbon exported to the deep ocean via the biological pump. Here we present a synoptic view of mixed layer food web dynamics observed during the late summer 2018 EXport Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS) field campaign in the subarctic Northeast Pacific at the long-running time-series site, Ocean Station Papa. Carbon biomass reservoirs of phytoplankton, microzooplankton, and bacterioplankton, were approximately equal while mesozooplankton biomass was 70% lower. Live organisms composed ∼40% of the total particulate organic carbon within the mixed layer: the remainder was attributed to detritus. Rates of carbon transfer among reservoirs indicated production and assimilation rates were well balanced by losses, leaving little organic carbon available for export. The slight positive net community production rate generated organic carbon that was exported from the system in the form of food web byproducts, such as large fecal pellets generated by mesozooplankton. This characteristically regenerative food web had relatively slow turnover times with small-magnitude transfers of carbon relative to standing stocks that occurred amidst a high background concentration of detrital particles and dissolved organic matter. The concurrent estimation of food web components and rates revealed that separated processes dominated the transfer of carbon within the food web compared to those that contributed to export. Plain Language Summary The biological carbon pump drives a downward flux of organic matter from the sunlit surface ocean to the vast ocean interior. Ecological interactions in the surface ocean directly affect the amount and type of carbon that is exported to the deep ocean. In this study, we present a synthesis of the late summer mixed layer food web in the Northeast Pacific that was extensively characterized during the 2018 EXport Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS) field campaign. We found the majority of carbon was recycled within the mixed layer by microbes through multiple transfers between producers and consumers. Larger organisms, mesozooplankton and salps, only consumed a small amount of carbon but through the formation of sinking fecal pellets were the main mechanism of transporting carbon out of the system. The study highlights the need to concurrently study microbial and large organism dynamics to develop a predictive understanding of the fate of organic carbon in the oceans. Key Points The microbial loop dominated carbon flow in the late summer mixed layer food web of the North Pacific, most net production was respired leaving little carbon available for export. Active production and consumption of organic carbon occurred amid a high background of detrital particulate organic carbon (58% of total) with slow turnover time, 66 d. Mesozooplankton which had relatively minor carbon consumption rates created the majority of export production due to efficient repackaging of consumed material.

Abstract The gravitational settling of organic particles in the ocean drives long term sequestration of carbon from surface waters to the deep ocean. Quantifying the magnitude of carbon sequestration flux at high spatiotemporal resolution is critical for monitoring the ocean’s ability to sequester carbon as ecological conditions change. Here, we propose a computer vision-based method for classifying images of sinking marine particles and using allometric relationships to estimate the amount of carbon that the particles transport to the deep ocean. We show that our method reduces the amount of time required by a human image annotator by at least 90% while producing ecologically- informed estimates of carbon flux that are comparable to estimates based on purely human review and chemical bulk carbon measurements. This method utilizes a human-in-the-loop domain adaptation approach to leverage images collected from previous sampling campaigns in classifying images from novel campaigns in the future. If used in conjunction with autonomous imaging platforms deployed throughout the world’s oceans, this method has the potential to provide estimates of carbon sequestration fluxes at high spatiotemporal resolution while facilitating an understanding of the ecological pathways that are most important in driving these fluxes.