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 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 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.