Diatoms are unicellular algae with plastids acquired by secondary endosymbiosis. They are responsible for ∼20% of global carbon fixation. We report the 34 million–base pair draft nuclear genome of the marine diatom Thalassiosira pseudonana and its 129 thousand–base pair plastid and 44 thousand–base pair mitochondrial genomes. Sequence and optical restriction mapping revealed 24 diploid nuclear chromosomes. We identified novel genes for silicic acid transport and formation of silica-based cell walls, high-affinity iron uptake, biosynthetic enzymes for several types of polyunsaturated fatty acids, use of a range of nitrogenous compounds, and a complete urea cycle, all attributes that allow diatoms to prosper in aquatic environments.

Likelihood-based phylogenetic inference is generally considered to be the most reliable classification method for unknown sequences. However, traditional likelihood-based phylogenetic methods cannot be applied to large volumes of short reads from next-generation sequencing due to computational complexity issues and lack of phylogenetic signal. "Phylogenetic placement," where a reference tree is fixed and the unknown query sequences are placed onto the tree via a reference alignment, is a way to bring the inferential power offered by likelihood-based approaches to large data sets. This paper introduces pplacer, a software package for phylogenetic placement and subsequent visualization. The algorithm can place twenty thousand short reads on a reference tree of one thousand taxa per hour per processor, has essentially linear time and memory complexity in the number of reference taxa, and is easy to run in parallel. Pplacer features calculation of the posterior probability of a placement on an edge, which is a statistically rigorous way of quantifying uncertainty on an edge-by-edge basis. It also can inform the user of the positional uncertainty for query sequences by calculating expected distance between placement locations, which is crucial in the estimation of uncertainty with a well-sampled reference tree. The software provides visualizations using branch thickness and color to represent number of placements and their uncertainty. A simulation study using reads generated from 631 COG alignments shows a high level of accuracy for phylogenetic placement over a wide range of alignment diversity, and the power of edge uncertainty estimates to measure placement confidence. Pplacer enables efficient phylogenetic placement and subsequent visualization, making likelihood-based phylogenetics methodology practical for large collections of reads; it is freely available as source code, binaries, and a web service.

Current sampling of genomic sequence data from eukaryotes is relatively poor, biased, and inadequate to address important questions about their biology, evolution, and ecology; this Community Page describes a resource of 700 transcriptomes from marine microbial eukaryotes to help understand their role in the world's oceans.

Ocean acidification in response to rising atmospheric CO 2 partial pressures is widely expected to reduce calcification by marine organisms. From the mid-Mesozoic, coccolithophores have been major calcium carbonate producers in the world's oceans, today accounting for about a third of the total marine CaCO 3 production. Here, we present laboratory evidence that calcification and net primary production in the coccolithophore species Emiliania huxleyi are significantly increased by high CO 2 partial pressures. Field evidence from the deep ocean is consistent with these laboratory conclusions, indicating that over the past 220 years there has been a 40% increase in average coccolith mass. Our findings show that coccolithophores are already responding and will probably continue to respond to rising atmospheric CO 2 partial pressures, which has important implications for biogeochemical modeling of future oceans and climate.

ABSTRACT The Columbia River estuary is a dynamic system in which estuarine turbidity maxima trap and extend the residence time of particles and particle-attached bacteria over those of the water and free-living bacteria. Particle-attached bacteria dominate bacterial activity in the estuary and are an important part of the estuarine food web. PCR-amplified 16S rRNA genes from particle-attached and free-living bacteria in the Columbia River, its estuary, and the adjacent coastal ocean were cloned, and 239 partial sequences were determined. A wide diversity was observed at the species level within at least six different bacterial phyla, including most subphyla of the class Proteobacteria . In the estuary, most particle-attached bacterial clones (75%) were related to members of the genus Cytophaga or of the α, γ, or δ subclass of the class Proteobacteria . These same clones, however, were rare in or absent from either the particle-attached or the free-living bacterial communities of the river and the coastal ocean. In contrast, about half (48%) of the free-living estuarine bacterial clones were similar to clones from the river or the coastal ocean. These free-living bacteria were related to groups of cosmopolitan freshwater bacteria (β-proteobacteria, gram-positive bacteria, and Verrucomicrobium spp.) and groups of marine organisms (gram-positive bacteria and α-proteobacteria [SAR11 and Rhodobacter spp.]). These results suggest that rapidly growing particle-attached bacteria develop into a uniquely adapted estuarine community and that free-living estuarine bacteria are similar to members of the river and the coastal ocean microbial communities. The high degree of diversity in the estuary is the result of the mixing of bacterial communities from the river, estuary, and coastal ocean.

Picoeukaryotes are a taxonomically diverse group of organisms less than 2 micrometers in diameter. Photosynthetic marine picoeukaryotes in the genus Micromonas thrive in ecosystems ranging from tropical to polar and could serve as sentinel organisms for biogeochemical fluxes of modern oceans during climate change. These broadly distributed primary producers belong to an anciently diverged sister clade to land plants. Although Micromonas isolates have high 18 S ribosomal RNA gene identity, we found that genomes from two isolates shared only 90% of their predicted genes. Their independent evolutionary paths were emphasized by distinct riboswitch arrangements as well as the discovery of intronic repeat elements in one isolate, and in metagenomic data, but not in other genomes. Divergence appears to have been facilitated by selection and acquisition processes that actively shape the repertoire of genes that are mutually exclusive between the two isolates differently than the core genes. Analyses of the Micromonas genomes offer valuable insights into ecological differentiation and the dynamic nature of early plant evolution.

Mystery of an Unextreme Microbe Metagenomics has given us glimpses into the huge diversity of microorganisms that are the engines of Earth's elemental cycling. These kinds of surveys can supply a good idea of the dominant organisms in ecosystems, but, because the majority of environmental microbes are difficult to culture and the most abundant organisms swamp metagenomes, it is difficult to discern the functional significance of other contributors. Iverson et al. (p. 587 ) sampled the Puget Sound and developed methods to reconstruct individual genomes from metagenomes, which allowed closure of a genome from the enigmatic marine group II Euryarchaeota . This Archaean is evidently motile, shows signs of extensive gene-swapping with bacteria, and offers some hints to the origin of proteorhodopsin—a molecule that some marine bacteria use to harvest energy from sunlight.

Cryptophyte and chlorarachniophyte algae are transitional forms in the widespread secondary endosymbiotic acquisition of photosynthesis by engulfment of eukaryotic algae. Unlike most secondary plastid-bearing algae, miniaturized versions of the endosymbiont nuclei (nucleomorphs) persist in cryptophytes and chlorarachniophytes. To determine why, and to address other fundamental questions about eukaryote–eukaryote endosymbiosis, we sequenced the nuclear genomes of the cryptophyte Guillardia theta and the chlorarachniophyte Bigelowiella natans. Both genomes have >21,000 protein genes and are intron rich, and B. natans exhibits unprecedented alternative splicing for a single-celled organism. Phylogenomic analyses and subcellular targeting predictions reveal extensive genetic and biochemical mosaicism, with both host- and endosymbiont-derived genes servicing the mitochondrion, the host cell cytosol, the plastid and the remnant endosymbiont cytosol of both algae. Mitochondrion-to-nucleus gene transfer still occurs in both organisms but plastid-to-nucleus and nucleomorph-to-nucleus transfers do not, which explains why a small residue of essential genes remains locked in each nucleomorph. Sequencing the nuclear genomes of Guillardia theta and Bigelowiella natans, transitional forms in the endosymbiotic acquisition of photosynthesis by engulfment of certain eukaryotic algae, reveals unprecedented alternative splicing for a single-celled organism (B. natans) and extensive genetic and biochemical mosaicism, shedding light on why nucleomorphs persist in these species but not other algae. This paper presents the sequences of the nuclear genomes of two eukaryotic microbes of remarkable genetic and cellular complexity, Guillardia and Bigelowiella. These algae are transitional forms in the endosymbiotic acquisition of photosynthesis by engulfment of eukaryotic algae, and possess four genomes: mitochondrial and plastid (chloroplast) genomes, a nuclear genome of host origin and a miniaturized 'nucleomorph' genome of endosymbiotic origin. Analyses reveal unprecedented alternative splicing for a single-celled organism, and extensive genetic and biochemical mosaicism. Whereas the mitochondrion-to-nucleus gene transfer continues in both organisms, plastid-to-nucleus and nucleomorph-to-nucleus transfers have ceased, explaining nucleomorph persistence.

Significance In the surface ocean, organic matter released by phytoplankton and degraded by heterotrophic bacteria is a key step in the carbon cycle. Compounds important in this trophic link are poorly known, in part because of the thousands of chemicals making up marine dissolved organic matter. We cocultured a Roseobacter clade bacterium with the diatom Thalassiosira pseudonana and used gene expression changes to assay for compounds passed to the bacterium. A C 3 -sulfonate with no previously known role in the microbial food web was identified and subsequently shown to be an abundant diatom metabolite and actively cycling compound in seawater. This work identifies a missing component of the marine carbon and sulfur cycles.