ABSTRACT Background Ocean microbes constitute ∼70% of the marine biomass, are responsible for ∼50% of the Earth’s primary production, and are crucial for global biogeochemical cycles. Marine microbiotas include core taxa that are usually key for ecosystem function. Despite their importance, core marine microbes are relatively unknown, which reflects the lack of consensus on how to identify them. So far, most core microbiotas have been defined based on species occurrence and abundance. Yet, species interactions are also important to identify core microbes, as communities include interacting species. Here, we investigate interconnected bacteria and small protists of the core pelagic microbiota populating a long-term marine-coastal observatory in the Mediterranean Sea over a decade. Results Core microbes were defined as those present in >30% of the monthly samples over 10 years, with the strongest associations. The core microbiota included 259 Operational Taxonomic Units (OTUs) including 182 bacteria, 77 protists, and 1,411 strong and mostly positive (∼95%) associations. Core bacteria tended to be associated with other bacteria, while core protists tended to be associated with bacteria. The richness and abundance of core OTUs varied annually, decreasing in stratified warmers waters and increasing in colder mixed waters. Most core OTUs had a preference for one season, mostly winter, which featured subnetworks with the highest connectivity. Groups of highly associated taxa tended to include protists and bacteria with predominance in the same season, particularly winter. A group of 13 highly-connected hub-OTUs, with potentially important ecological roles dominated in winter and spring. Similarly, 18 connector OTUs with a low degree but high centrality were mostly associated with summer or autumn and may represent transitions between seasonal communities. Conclusions We found a relatively small and dynamic interconnected core microbiota in a model temperate marine-coastal site, with potential interactions being more deterministic in winter than in other seasons. These core microbes would be essential for the functioning of this ecosystem over the year. Other non-core taxa may also carry out important functions but would be redundant and non-essential. Our work contributes to the understanding of the dynamics and potential interactions of core microbes possibly sustaining ocean ecosystem function.

Abstract Tiny ocean plankton (picoplankton) are fundamental for the functioning of the biosphere, but the ecological mechanisms shaping their biogeography are partially understood. Comprehending whether these microorganisms are structured by niche vs. neutral processes is highly relevant in the context of global change. The ecological drivers structuring picoplankton communities differ between prokaryotes and minute eukaryotes (picoeukaryotes) in the global surface ocean: while prokaryotic communities are shaped by a balanced combination of dispersal, selection , and drift , picoeukaryotic communities are mainly shaped by dispersal limitation . Yet, whether or not the relative importance of these processes in structuring picoplankton varies as we dive into the deep ocean was unknown. Here we investigate the mechanisms structuring picoplanktonic communities inhabiting different ocean depths. We analyzed 451 samples from the tropical and subtropical global ocean and the Mediterranean Sea covering the epi- (0-200m), meso- (200- 1,000m), and bathypelagic (1,000-4,000m) depth zones. We found that selection decreased with depth possibly due to lower habitat heterogeneity. In turn, dispersal limitation increased with depth, possibly due to dispersal barriers such as water masses and bottom topography. Picoplankton β-diversity positively correlated with environmental heterogeneity and water mass variability in both the open-ocean and the Mediterranean Sea. However, this relationship tended to be weaker for picoeukaryotes than for prokaryotes. Community patterns were generally more pronounced in the Mediterranean Sea, probably because of its substantial cross-basin environmental heterogeneity and deep-water isolation. Altogether, we found that different combinations of ecological mechanisms shape the biogeography of the smallest members of the ocean microbiome across ocean depths.

Abstract Microbial interactions underpin ocean ecosystem function, but they remain barely known. Multiple studies have analyzed microbial interactions using static association networks based on omics data, yet microbial interactions are dynamic and can change across spatiotemporal scales. Understanding the dynamics of microbial interactions is needed for a better comprehension of ocean ecosystems. Here, we explored associations between archaea, bacteria, and picoeukaryotes along the water column, from the surface to the deep ocean, across the northern subtropical to the southern temperate ocean and the Mediterranean Sea by defining sample-specific subnetworks, which allowed us to examine changes in microbial associations across space. We found that associations tend to change with depth as well as with geographical scale, with a few associations being global (i.e., present across regions within the same depth layer) and 11-36% being regional within specific water layers. The lowest fraction of global associations was found in the bathypelagic zone, while associations restricted to certain regions increased with depth. The majority of associations observed in surface waters disappeared with depth, suggesting that surface ocean associations are not transferred to the deep sea, despite microbial sinking. Altogether, our results suggest that microbial associations have highly heterogeneous distributions in the horizontal and vertical dimensions of the ocean and that such distributions do not mirror taxonomic distributions. Our work contributes to better understand the dynamics of microbial interactions in the global ocean, which is urgently needed in a context of global change.

Microbial eukaryotes are key components of the ocean plankton. Yet, our understanding of their community composition and activity in different water layers of the ocean is limited, particularly for picoeukaryotes (0.2-3 μm cell size). Here we examined the picoeukaryotic communities inhabiting different vertical zones of the tropical and subtropical global ocean: surface, deep chlorophyll maximum, mesopelagic (including the deep scattering layer and minimum oxygen zone) and bathypelagic. Communities were analysed by high-throughput sequencing of the 18S rRNA gene, as represented by DNA (community structure) and RNA (metabolic expression), followed by delineation of Operational Taxonomic Units (OTUs). We found a clear stratification of the picoeukaryotic communities along the water column, with two differentiated assemblages corresponding to the sunlit and dark ocean. Specific taxonomic groups either increased or decreased their abundances with depth. We used the rRNA:rDNA ratio of each individual OTU as a proxy of its metabolic activity. The highest relative activity was found in the mesopelagic layer for most taxonomic groups, and the lowest in the bathypelagic. Overall, our results characterize the change in community structure and activity of picoeukaryotes in the global-ocean water column, suggesting that the mesopeagic layer is a hot-spot of picoeukaryotic activity.

Determining predictability in community turnover is a key ecological question. In the microbial world, seasonality has been reported for communities inhabiting temperate zones, but not much is known on seasonality for individual species. Specifically, we have a vague understanding on the amount of species displaying predictability during temporal community turnover as well as on their dynamics. Here we developed a 'Recurrence Index' to quantify predictability in microbial species. Applying our index to 18S rDNA metabarcoding data from one of the longest temporal observatories of marine plankton we determined that 13% of the picoeukaryotic and 19% of the nanoeukaryotic species, accounting for about 40% of the community abundance in both fractions, feature predictable dynamics when sampled monthly during 10 years. Thus, most of the species analysed had unpredictable temporal abundance patterns. Altogether, we show that species with both predictable and unpredictable temporal dynamics can occur within the same seasonal microbial community.

Abstract Background The backbone of the eukaryotic tree of life contains taxa only found in molecular surveys, of which we still have a limited understanding. Such is the case of Picozoa, an enigmatic lineage of heterotrophic picoeukaryotes within the supergroup Archaeplastida, which has emerged as a significant component of marine microbial planktonic communities. To enhance our understanding of the diversity, distribution, and ecology of Picozoa, we conduct a comprehensive assessment at different levels, from assemblages to taxa, employing phylogenetic analysis, species distribution modeling, and ecological niche characterization. Results Picozoa was among the ten most abundant eukaryotic groups, found almost exclusively in marine environments. The phylum was represented by 179 Picozoa’s OTU (pOTUs) placed in five phylogenetic clades. Picozoa community structure had a clear latitudinal pattern, with polar assemblages tending to cluster separately from non-polar ones. Based on the abundance and occupancy pattern, the pOTUs were classified into four categories: Low-abundant, Widespread, Polar, and Non-polar. We calculated the ecological niche of each of these categories. Notably, pOTUs sharing similar ecological niches were not closely related species, indicating a phylogenetic overdispersion in Picozoa communities. This could be attributed to competitive exclusion and the strong influence of the seasonal amplitude of variations in environmental factors, such as temperature, shaping physiological and ecological traits. Conclusions Overall, this work advances our understanding of uncharted protists’ evolutionary dynamics and ecological strategies. Our results highlight the importance of understanding the species-level ecology of marine heteroflagellates like Picozoa. The observed phylogenetic overdispersion challenges the concept of phylogenetic niche conservatism in protist communities, suggesting that closely related species do not necessarily share similar ecological niches.

The smallest members of the sunlit-ocean microbiome (prokaryotes and picoeukaryotes) participate in a plethora of ecosystem functions with planetary-scale effects. Understanding the processes determining the spatial turnover of this assemblage can help us better comprehend the links between microbiome species composition and ecosystem function. Ecological theory predicts that selection, dispersal and drift are main drivers of species distributions, yet, the relative quantitative importance of these ecological processes in structuring the surface-ocean microbiome is barely known. Here we quantified the role of selection, dispersal and drift in structuring surface-ocean prokaryotic and picoeukaryotic assemblages by using community DNA-sequence data collected during the global Malaspina expedition. We found that dispersal limitation was the dominant process structuring picoeukaryotic communities, while a balanced combination of dispersal limitation, selection and drift shaped prokaryotic counterparts. Subsequently, we determined the agents exerting abiotic selection as well as the spatial patterns emerging from the action of different ecological processes. We found that selection exerted via temperature had a strong influence on the structure of prokaryotic communities, particularly on species co-occurrences, a pattern not observed among communities of picoeukaryotes. Other measured abiotic variables had limited selective effects on microbiome structure. Picoeukaryotes presented a higher differentiation between neighbouring communities and a higher distance-decay when compared to prokaryotes, agreeing with their higher dispersal limitation. Finally, drift seemed to have a limited role in structuring the sunlit-ocean microbiome. The different predominance of ecological processes acting on particular subsets of the ocean microbiome suggests uneven responses to environmental change.