Abstract Bacterial remineralization of algal organic matter is thought to fuel algal growth, but this has not been quantified. Consequently, we cannot currently predict whether some bacterial taxa may provide more remineralized nutrients to algae than others, nor whether this is linked their incorporation. We quantified bacterial incorporation of algal-derived complex dissolved organic C (DOC) and N (DON) and net algal incorporation of remineralized C and N at the single cell level using isotope tracing and NanoSIMS for fifteen bacterial co-cultures growing with the diatom Phaeodactylum tricornutum . We found unexpected variability in the net C and N fluxes between algae and bacteria, including non-ubiquitous complex DON utilization and remineralization. We identified three distinct functional categories of metabolic interactions, which we termed macromolecule remineralizers, macromolecule users, and small-molecule users, the latter exhibiting efficient growth under low carbon availability. The functional categories were not linked to phylogeny and could not be elucidated strictly from metabolic capacity as predicted by comparative genomics. Using comparative proteogenomic analyses, we show that a complex DON incorporating strain expressed proteins related to growth and peptide transport, and a non-incorporator prioritized reactive oxygen species scavenging and inorganic nutrient uptake. Our analysis suggests that phylogeny does not predict the extent of algae-bacteria metabolite exchange, and activity-based measurements are indispensable to classify the high diversity of microbes into functional groups. These categorizations are useful for conceptual understanding and mechanistic numerical modeling to ultimately predict the fate of elemental cycles in response to environmental change.

Abstract Four distinct lineages of ammonia-oxidizing microorganisms (AOM) collectively contribute to one of the largest nitrogen fluxes in the global nitrogen budget. AOM possess widely different specific affinities for ammonia, thought to determine their niche differentiation. Nevertheless, ammonia-oxidizing archaea and bacteria (AOA, AOB), and complete ammonia oxidizers (comammox) co-occur in soils, freshwater sediments, and aquifers, suggesting that other factors must drive their coexistence. Here, we show that representatives of four AOM lineages employ distinct regulatory strategies for ammonia or urea utilization, thereby minimizing direct competition for either substrate. The tested AOA and comammox species preferentially used ammonia over urea, while beta-proteobacterial AOB favored urea utilization, repressed ammonia transport in the presence of urea, and showed higher affinity for urea than ammonia, whereas gamma-proteobacterial AOB co-utilized both substrates. Stable isotope tracing, kinetics, and transcriptomics experiments revealed that both assimilation and oxidation of ammonia are transport-dependent. These results reveal novel mechanisms of nitrogen metabolism regulation and transporter-based affinity underlying the contrasting niche adaptation and coexistence patterns among the major AOM lineages.

Summary Shifts in microbiome community composition can have large effects on host health. It is therefore important to understand how perturbations, like those caused by the introduction of exogenous chemicals, modulate microbiome community composition. In poison frogs within the family Dendrobatidae, the skin microbiome is exposed to the alkaloids that the frogs sequester from their diet and use for defense. Given the demonstrated antimicrobial effects of these poison frog alkaloids, these compounds may be structuring the skin microbial community. To test this, we first characterized microbial communities from chemically defended and closely related non-defended frogs from Ecuador. Then we conducted a laboratory experiment to monitor the effect of the alkaloid decahydroquinoline (DHQ) on the microbiome of a single frog species. In both the field and lab experiments, we found that alkaloid-exposed microbiomes are more species rich and phylogenetically diverse, with an increase in rare taxa. To better understand the strain-specific behavior in response to alkaloids, we cultured microbial strains from poison frog skin and found the majority of strains exhibited either enhanced growth or were not impacted by the addition of DHQ. Additionally, stable isotope tracing coupled to nanoSIMS suggests that some of these strains are able to metabolize DHQ. Taken together, these data suggest that poison frog chemical defenses open new niches for skin-associated microbes with specific adaptations, including the likely metabolism of alkaloids, that enable their survival in this toxic environment. This work helps expand our understanding of how exposure to exogenous compounds like alkaloids can impact host microbiomes.

Summary Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) transport substantial plant carbon (C) that serves as a substrate for other soil organisms, a precursor of soil organic matter (SOM), and a driver of soil microbial dynamics. Using two-chamber microcosms where an air gap isolated AMF from roots, we 13 CO 2 -labeled Avena barbata for six weeks and measured. the C Rhizophagus intraradices transferred to SOM and hyphosphere microorganisms. NanoSIMS imaging, IRMS, 13 C NMR, and SOM density fractionation showed hyphae and roots had similar 13 C enrichment. AMF transferred 0.77 mg C per g of soil (increasing total C by 2%); 33% was found in occluded or mineral-associated pools, primarily as carbohydrates. In the AMF hyphosphere, there was no overall change in community diversity but 36 bacterial ASVs significantly changed in relative abundance. With stable isotope probing (SIP)-enabled shotgun sequencing, we found taxa from the Solibacterales, Sphingobacteriales, Myxococcales and Nitrososphaerales (ammonium oxidizing archaea) were highly enriched in AMF-imported 13 C (>20 atom%). Mapping 13 C-enriched metagenome-assembled genomes to total ASVs showed at least 92 bacteria and archaea were significantly 13 C-enriched. Our results illustrate the quantitative impact of hyphal C transport on the formation of potentially protective SOM pools and indicate microbial roles in the AMF hyphosphere soil food web.

Hypersaline photosynthetic microbial mats are stratified microbial communities known for their taxonomic and metabolic diversity and strong light-driven day-night environmental gradients. In this study of the upper photosynthetic zone of hypersaline microbial mats of Elkhorn Slough, California (USA), we show how reference-based and reference-free methods can be used to meaningfully assess microbial ecology and genetic partitioning in these complex microbial systems. Mapping of metagenome reads to the dominant Cyanobacteria observed in the system, Coleofasciculus (Microcoleus) chthonoplastes, was used to examine strain variants within these metagenomes. Highly conserved gene subsystems indicate a core genome for the species, and a number of variant genes and subsystems suggest strain level differentiation, especially for carbohydrate utilization. Metagenome sequence coverage binning was used to assess ecosystem partitioning of remaining microbes. Functional gene annotation of these bins (primarily of Proteobacteria, Bacteroidetes, and Cyanobacteria) recapitulated the known biogeochemical functions in microbial mats using a genetic basis, and also revealed evidence of novel functional diversity within the Gemmatimonadetes and Gammaproteobacteria. Combined, these two approaches show how genetic partitioning can inform ecological partitioning of the metabolic diversity within microbial ecosystems.

Abstract Winter carbon loss in northern ecosystems is estimated to be greater than the average growing season carbon uptake. However, most ecosystem carbon measurements neglect winter months since carbon losses (primarily driven by microbial decomposers) are assumed to be negligible at low temperatures. We used stable isotope probing (SIP) targeted metagenomics to reveal the genomic potential of active soil microbial populations under winter conditions, with an emphasis on viruses and virus-host dynamics. Peat soils from the Bonanza Creek LTER site in Alaska were incubated under subzero anoxic conditions with H 2 18 O for 184 and 370 days. We identified 46 bacterial populations (MAGs; spanning 9 bacterial phyla) and 243 viral populations (vOTUs) that actively took up 18 O and produced significant CO 2 throughout the incubation. Active hosts, predicted for 33% of the active vOTUs, were some of the most abundant MAGs and capable of fermentation and organic matter degradation. Approximately three-quarters of the active vOTUs carried auxiliary metabolic genes that spanned five functional categories, including carbon utilization, highlighting the potential impact of viruses in this peat soil’s microbial biogeochemistry. These results illustrate significant bacterial and viral activity and interactions occur in frozen soils, revealing viruses are a major community-structuring agent throughout winter months.

Summary Diatoms, dinoflagellates, and coccolithophorids are the dominant groups of marine eukaryotic phytoplankton collectively responsible for the majority of primary production in the ocean 1 . These phytoplankton contain additional intracellular membranes around their chloroplasts derived from ancestral engulfment of red microalgae by unicellular heterotrophic eukaryotes that led to secondary endosymbiosis 2 . This symbiogenesis hypothesis for the origin of modern secondary endosymbiotic phytoplankton is supported by a wealth of palaeontologic, morphologic, and genomic evidence 3–6 . However, the selectable evolutionary advantage of these membranes and the physiological significance for extant phytoplankton are unknown. We report that the proton-pumping enzyme V-type H + -ATPase (VHA), ubiquitously used in eukaryotic intercellular digestion, is localized around the chloroplasts of centric diatoms and that VHA-activity significantly enhances photosynthesis over a wide range of oceanic irradiances. Similar results in pennate diatoms, dinoflagellates, and coccolithophorids, but not green or red microalgae, imply a mechanism resulting from the co-option of phagocytic VHA activity into a carbon concentrating mechanism that is common to secondary endosymbiotic phytoplankton. Furthermore, analogous VHA-dependent mechanisms in extant photosymbiotic marine invertebrates 7–9 provide functional evidence for an adaptive advantage throughout the transition from endosymbiosis to symbiogenesis. Our results suggest that VHA-dependent enhancement of photosynthesis contributes at least 7% of primary production in the ocean, providing an example of a symbiosis-derived evolutionary innovation with global environmental implications.

ABSTRACT Although the green alga Chlamydomonas reinhardtii has long served as a reference organism, few studies have interrogated its role as a primary producer in microbial interactions. Here, we quantitatively investigated C. reinhardtii’s capacity to support a heterotrophic microbe using the established coculture system with Mesorhizobium japonicum , a vitamin B 12 -producing α-proteobacterium. Using stable isotope probing and nanoscale secondary ion mass spectrometry (nanoSIMS), we tracked the flow of photosynthetic fixed carbon and consequent bacterial biomass synthesis under continuous and diurnal light with single-cell resolution. We found that more 13 C fixed by the alga was taken up by bacterial cells under continuous light, invalidating the hypothesis that the alga’s fermentative degradation of starch reserves during the night would boost M. japonicum heterotrophy. 15 NH 4 assimilation rates and changes in cell size revealed that M. japonicum cells reduced new biomass synthesis in coculture with the alga but continued to divide – a hallmark of nutrient limitation often referred to as reductive division. Despite this sign of starvation, the bacterium still synthesized vitamin B 12 and supported the growth of a B 12 -dependent C. reinhardtii mutant. Finally, we showed that bacterial proliferation could be supported solely by the algal lysis that occurred in coculture, highlighting the role of necromass in carbon cycling. Collectively, these results reveal the scarcity of fixed carbon in this microbial trophic relationship (particularly under environmentally relevant light regimes), demonstrate B 12 exchange even during bacterial starvation, and underscore the importance of quantitative approaches for assessing metabolic coupling in algal-bacterial interactions.

While the impact of light on primary productivity in aquatic systems has been studied for decades, the role light plays in the degradation of photosynthetically-produced biomass is less well understood. We investigated the patterns of light-induced particle breakdown and bacterial assimilation of detrital C and N using 13C and 15N labeled freeze-thawed diatom cells incubated in laboratory microcosms with a marine microbial community freshly-collected from the Pacific Ocean. Particles incubated in the dark resulted in increased bacterial counts and dissolved organic carbon concentrations compared to those incubated in the light. Light also influenced the attached and free-living microbial community structure as detected by 16S rRNA gene amplicon sequencing. For example, bacterial taxa from the Sphingobacteriia were enriched on dark-incubated particles and taxa from the family Flavobacteriaceae and the genus Pseudoalteromonas were numerically enriched on particles in the light. Isotope incorporation analysis by phylogenetic microarray and NanoSIMS (a method called Chip-SIP) identified free-living and attached microbial taxa able to incorporate N and C from the particles. Some taxa, including members of the Flavobacteriaceae and Cryomorphaceae, exhibited increased isotope incorporation in the light, suggesting the use of photoheterotrophic metabolisms. In contrast, some members of Oceanospirillales and Rhodospirillales showed decreased isotope incorporation in the light, suggesting that their heterotrophic metabolism, particularly when occurring on particles, might increase at night or may be inhibited by sunlight. These results show that light influences particle degradation and C and N incorporation by attached bacteria, suggesting that the transfer between particulate and free-living phases are likely affected by external factors that change with the light regime, such as time of day, depth and season.