Autotrophic picoplankton dominate primary production over large oceanic regions but are believed to contribute relatively little to carbon export from surface layers. Using analyses of data from the equatorial Pacific Ocean and Arabian Sea, we show that the relative direct and indirect contribution of picoplankton to export is proportional to their total net primary production, despite their small size. We suggest that all primary producers, not just the large cells, can contribute to export from the surface layer of the ocean at rates proportional to their production rates.

Abstract As photosynthetic producers, phytoplankton form the foundation of aquatic food webs. Understanding the relationships among photosynthetic traits in phytoplankton is essential to revealing how diversification of these traits allow phytoplankton to harvest energy from different light environments. We investigated whether the diversification of 15 species of cryptophytes, a phylum of phytoplankton with diverse light-capturing pigments, showed evidence of trade-offs among photosynthetic performance traits as predicted by the gleaner-opportunist resource exploitation framework. We constructed photosynthesis vs. irradiance (P-E) curves and rapid light curves (RLCs) to estimate parameters characterizing photosynthetic performance and electron transport rate. We inferred the evolutionary relationships among the 15 species with ultraconserved genomic elements and used a phylogenetically controlled approach to test for trade-offs. Contrary to our prediction, we observed a positive correlation between maximum photosynthetic rate, P max , and P - E α , an indicator of a species’ sensitivity to increases in light intensity when light is a scarce resource. This result could not be explained by electron transfer traits, which were uncorrelated with photosynthetic rate. Together, our results suggest that ecological diversification of light exploitation in cryptophytes has escaped the constraints of a gleaner-opportunist tradeoff. Photosynthetic trade-offs may be context or scale dependent, thereby only emerging when investigated in situations different from the one used here.

Cryptophytes are single celled protists found in all aquatic environments. They are composed of a heterotrophic genus, Goniomonas, and a largely autotrophic group comprising many genera. Cryptophytes evolved through secondary endosymbiosis between a host eukaryotic heterotroph and a symbiont red alga. This merger resulted in a four-genome system that includes the nuclear and mitochondrial genomes from the host and a second nuclear genome (nucleomorph) and plastid genome inherited from the symbiont. Here, we make use of different genomes (with potentially distinct evolutionary histories) to perform a phylogenomic study of the early history of cryptophytes. Using ultraconserved elements from the host nuclear genome and symbiont nucleomorph and plastid genomes, we produce a three-genome phylogeny of 91 strains of cryptophytes. Our phylogenetic analyses find that that there are three major cryptophyte clades: Clade 1 comprises Chroomonas and Hemiselmis species, Clade 2, a taxonomically rich clade, comprises at least twelve genera, and Clade 3, comprises the heterotrophic Goniomonas species. Each of these major clades include both freshwater and marine species, but subclades within these clades differ in degrees of niche conservatism. Finally, we discuss priorities for taxonomic revision to Cryptophyceae based on previous studies and in light of these phylogenomic analyses.

Algae with a more diverse suite of pigments can, in principle, exploit a broader swath of the light spectrum through chromatic acclimation, the ability to maximize light capture via plasticity of pigment composition. We grew Rhodomonas salina in wide-spectrum, red, green, and blue environments and measured how pigment composition differed. We also measured expression of key light-capture and photosynthesis-related genes and performed a transcriptome-wide expression analysis. We observed the highest concentration of phycoerythrin in green light, consistent with chromatic acclimation. Other pigments showed trends inconsistent with chromatic acclimation, possibly due to feedback loops among pigments or high-energy light acclimation. Expression of some photosynthesis-related genes was sensitive to spectrum, although expression of most was not. The phycoerythrin α-subunit was expressed two-orders of magnitude greater than the β-subunit even though the peptides are needed in an equimolar ratio. Expression of genes related to chlorophyll-binding and phycoerythrin concentration were correlated, indicating a potential synthesis relationship. Pigment concentrations and expression of related genes were generally uncorrelated, implying post-transcriptional regulation of pigments. Overall, most differentially expressed genes were not related to photosynthesis; thus, examining associations between light spectrum and other organismal functions, including sexual reproduction and glycolysis, may be important.