Summary The widespread occurrence and diversity of ammonia oxidizing Archaea suggests their contribution to the nitrogen cycle is of global significance. Their distribution appeared limited to low‐ and moderate‐temperature environments until the recent finding of a diagnostic membrane lipid, crenarchaeol, in terrestrial hot springs. We report here the cultivation of a thermophilic nitrifier (‘ Candidatus Nitrosocaldus yellowstonii’), an autotrophic crenarchaeote growing up to 74°C by aerobic ammonia oxidation. The major core lipid of this archaeon growing at 72°C is crenarchaeol, providing the first direct evidence for its synthesis by a thermophile. These findings greatly extend the upper temperature limit of nitrification and document that the capacity for ammonia oxidation is broadly distributed among the Crenarchaeota .

An ammonia-oxidizing, carbon-fixing archaeon, Candidatus “ Nitrosopumilus maritimus ,” recently was isolated from a salt-water aquarium, definitively confirming that chemoautotrophy exists among the marine archaea. However, in other incubation studies, pelagic archaea also were capable of using organic carbon. It has remained unknown what fraction of the total marine archaeal community is autotrophic in situ . If archaea live primarily as autotrophs in the natural environment, a large ammonia-oxidizing population would play a significant role in marine nitrification. Here we use the natural distribution of radiocarbon in archaeal membrane lipids to quantify the bulk carbon metabolism of archaea at two depths in the subtropical North Pacific gyre. Our compound-specific radiocarbon data show that the archaea in surface waters incorporate modern carbon into their membrane lipids, and archaea at 670 m incorporate carbon that is slightly more isotopically enriched than inorganic carbon at the same depth. An isotopic mass balance model shows that the dominant metabolism at depth indeed is autotrophy (83%), whereas heterotrophic consumption of modern organic carbon accounts for the remainder of archaeal biomass. These results reflect the in situ production of the total community that produces tetraether lipids and are not subject to biases associated with incubation and/or culture experiments. The data suggest either that the marine archaeal community includes both autotrophs and heterotrophs or is a single population with a uniformly mixotrophic metabolism. The metabolic and phylogenetic diversity of the marine archaea warrants further exploration; these organisms may play a major role in the marine cycles of nitrogen and carbon.

Significance Ammonia-oxidizing archaea (AOA) influence the form and availability of nitrogen in marine environments and are a major contributor to N 2 O release and plausible indirect source of methane in the upper ocean. Thus, their sensitivity to ocean acidification and other physicochemical changes associated with climate change has global significance. Here, we report on the physiological response of marine AOA isolates to key environmental variables. Although reported as highly sensitive to reduction in ocean pH, we now show that some coastal marine AOA can remain active with increasing acidification of the oceans. All AOA isolates assimilate fixed carbon and two are obligate mixotrophs, suggesting this globally significant assemblage serves a significant function in coupling chemolithotrophy with organic matter assimilation in marine food webs.

Abstract Light is the primary input of energy into the sunlit ocean, driving daily oscillations in metabolism of primary producers. The consequences of this solar forcing have implications for the whole microbial community, yet in situ measurements of metabolites, direct products of cellular activity, over the diel cycle are scarce. We evaluated community-level biochemical consequences of diel oscillations in the North Pacific Subtropical Gyre by quantifying 79 metabolites in particulate organic matter in surface waters every four hours over eight days. Total particulate metabolite concentration peaked at dusk, even when normalized to biomass estimates. The concentrations of 70% of individual metabolites exhibited 24-hour periodicity. Despite the diverse organisms that use them, primary metabolites involved in anabolic processes and redox maintenance had significant 24-hour periodicity. Osmolytes exhibited the largest diel oscillations, implying rapid turnover and metabolic roles beyond cell turgor maintenance. Metatranscriptome analysis revealed the taxa involved in production and consumption of some metabolites, including the osmolyte trehalose. This compound displayed the largest diel oscillations in abundance and was likely produced by the nitrogen-fixing cyanobacterium Crocosphaera for energy storage. These findings demonstrate that paired measurements of particulate metabolites and transcripts resolve strategies microbes use to manage daily energy and redox oscillations.

Abstract Sunlight drives daily rhythms of photosynthesis, growth, and division of photoautotrophs throughout the surface oceans. However, the cascading impacts of oscillatory light input on diverse microbial communities and community-scale metabolism remains unclear. Here we use an unsupervised machine learning approach to show that a small number of diel archetypes can explain pervasive periodic dynamics amongst more than 65,000 distinct time series, including transcriptional activity, macromolecules, lipids, and metabolites from the North Pacific Subtropical Gyre. Overall, we find evidence for synchronous timing of carbon-cycle gene expression that underlie daily oscillations in the concentrations of particulate organic carbon. In contrast, we find evidence of asynchronous timing in gene transcription related to nitrogen metabolism and related metabolic processes consistent with temporal niche partitioning amongst microorganisms in the bacterial and eukaryotic domains.

ABSTRACT Phytoplankton transform inorganic carbon into thousands of biomolecules that represent an important pool of fixed carbon, nitrogen, and sulfur in the surface ocean. Metabolite production differs between phytoplankton, and the flux of these molecules through the microbial food web depends on compound-specific bioavailability to members of a wider microbial community. Yet relatively little is known about the diversity or concentration of metabolites within marine plankton. Here we compare 313 polar metabolites in 21 cultured phytoplankton species and in natural planktonic communities across environmental gradients to show that bulk community metabolomes reflect chemical composition of the phytoplankton community. We also show that groups of compounds have similar patterns across space and taxonomy suggesting that the concentrations of these compounds in the environment are controlled by similar sources and sinks. We quantify several compounds in the surface ocean that represent substantial understudied pools of labile carbon. For example, the N-containing metabolite homarine was up to 3% of particulate carbon and is produced in high concentrations by cultured Synechococcus , and S-containing gonyol accumulated up to 2.5 nM in surface particles and likely originates from dinoflagellates. Our results show that phytoplankton composition directly shapes the carbon composition of the surface ocean. Our findings suggest that in order to access these pools of bioavailable carbon, the wider microbial community must be adapted to phytoplankton community composition. IMPORTANCE Microscopic phytoplankton transform 100 million tons of inorganic carbon into thousands of different organic compounds each day. The structure of each chemical is critical to its biological and ecosystem function, yet, the diversity of biomolecules produced by marine microbial communities remained mainly unexplored, especially small polar molecules which are often considered the currency of the microbial loop. Here we explore the abundance and diversity of small biomolecules in planktonic communities across ecological gradients in the North Pacific and within 21 cultured phytoplankton species. Our work demonstrates that phytoplankton diversity is an important determinant of the chemical composition of the highly bioavailable pool of organic carbon in the ocean, and we highlight understudied yet abundant compounds in both the environment and cultured organisms. These findings add to understanding of how the chemical makeup of phytoplankton shapes marine microbial communities where the ability to sense and use biomolecules depends on the chemical structure.

Abstract Siderophores are strong iron-binding molecules produced and utilized by microbes to acquire the limiting nutrient iron (Fe) from their surroundings. Despite their importance as a component of the iron-binding ligand pool in seawater, data on the distribution of siderophores and the microbes that use them are limited. Here we measured the concentrations and types of dissolved siderophores during two cruises in April 2016 and June 2017 that transited from the iron-replete, low-macronutrient North Pacific Subtropical Gyre (NPSG) through the North Pacific Transition Zone (NPTZ) to the iron-deplete, high-macronutrient North Pacific Subarctic Frontal Zone (SAFZ). Surface siderophore concentrations in 2017 were higher in the NPTZ (4.0 – 13.9 pM) than the SAFZ (1.2 – 5.1 pM), which may be partly attributed to stimulated siderophore production by environmental factors such as dust-derived iron concentrations (up to 0.51 nM). Multiple types of siderophores were identified on both cruises, including ferrioxamines, amphibactins and iron-free forms of photoreactive siderophores, which suggest active production and use of diverse siderophores across latitude and depth. Additionally, the widespread genetic potential for siderophore biosynthesis and uptake across latitude and the variability in the taxonomic composition of bacterial communities that transcribe putative ferrioxamine, amphibactin and salmochelin transporter genes at different latitudes suggest that particular microbes actively produce and use siderophores, altering siderophore distributions and the bioavailability of iron across the North Pacific.

Abstract Extracellular vesicles are small (~50–200 nm diameter) membrane-bound structures released by cells from all domains of life. While vesicles are abundant in the oceans, our understanding of their functions, both for cells themselves and the emergent ecosystem, is in its infancy. To advance this understanding, we analyzed the lipid, protein, and metabolite content of vesicles produced by the marine cyanobacterium Prochlorococcus . We show that Prochlorococcus exports an enormous array of cellular compounds into the surrounding seawater within vesicles. Vesicles produced by two different strains contain some materials in common, but also display numerous strain-specific differences, reflecting functional complexity within natural vesicle populations. Prochlorococcus vesicles contain active enzymes, indicating that they can mediate extracellular biogeochemical reactions in the ocean. We demonstrate that vesicles from Prochlorococcus and other bacteria associate with diverse microbes including the most abundant marine bacterium, Pelagibacter . Our observations suggest that vesicles may play diverse functional roles in the oceans, including but not limited to mediating energy and nutrient transfers, catalyzing extracellular biochemical reactions, and mitigating toxicity of reactive oxygen species. These findings indicate that a portion of ‘dissolved’ compounds in the oceans are not truly dissolved, but are instead packaged within locally structured, particulate vesicles.

Abstract Ammonia-oxidizing archaea (AOA) are among the most ubiquitous and abundant groups of Archaea on Earth, widely distributed in marine, terrestrial, and geothermal ecosystems. However, the genomic diversity, biogeography, and evolutionary process of AOA populations in subsurface environments are vastly understudied compared to those of marine and soil AOA. We here report a novel AOA order Candidatus Nitrosomirales that forms a deeply branching basal sister lineage to the thermophilic Ca. Nitrosocaldales. Metagenomic and 16S rRNA gene read mapping demonstrates the dominant presence of Nitrosomirales AOA in various groundwater environments and their widespread distribution across a range of geothermal, terrestrial, and marine habitats. Notably, terrestrial Nitrosomirales AOA show the genetic capacity of using formate as an alternative source of reductant and appear to have acquired key metabolic genes and operons from other mesophilic populations via horizontal gene transfer, including the genes encoding urease, nitrite reductase, and V-type ATPase. Potential metabolic versatility and acquired functions may facilitate their radiation into a variety of subsurface, marine, and soil environments. Molecular thermometer-based evolutionary analysis suggests that Nitrosomirales originated from thermophilic environments and transitioned into temperate habitats in parallel with Nitrososphaerales and Nitrosopumilales . We also provide evidence that terrestrial-marine habitat transitions occurred within each one of the four AOA orders, which reveals a more complex evolutionary trajectory of major AOA lineages than previously proposed. Together, these findings establish a robust taxonomic and evolutionary framework of AOA and provide new insights into the ecology and evolution of this globally abundant functional guild.