How the growth rate of a microbial population responds to the environmental availability of chemical nutrients and other resources is a fundamental question in microbiology. Models of this response, such as the widely-used Monod model, are generally characterized by a maximum growth rate and a half-saturation concentration of the resource. What values should we expect for these half-saturation concentrations, and how should they depend on the environmental concentration of the resource? We survey growth response data across a wide range of organisms and resources. We find that the half-saturation concentrations vary across orders of magnitude, even for the same organism and resource. To explain this variation, we develop an evolutionary model to show that demographic fluctuations (genetic drift) can constrain the adaptation of half-saturation concentrations. We find that this effect fundamentally differs depending on the type of population dynamics: populations undergoing periodic bottlenecks of fixed size will adapt their half-saturation concentration in proportion to the environmental resource concentration, but populations undergoing periodic dilutions of fixed size will evolve half-saturation concentrations that are largely decoupled from the environmental concentration. Our model not only provides testable predictions for laboratory evolution experiments, but it also reveals how an evolved half-saturation concentration may not reflect the organism’s environment. In particular, this explains how organisms in resource-rich environments can still evolve fast growth at low resource concentrations. Altogether our results demonstrate the critical role of population dynamics in shaping fundamental ecological traits.

Abstract Microbial communities perform key ecosystem processes collectively. One such process is the degradation of carbohydrate polymers, which are the dominant pool of organic carbon in natural environments. Carbohydrate polymers are often degraded in a stepwise manner. Individual steps are performed by different microbial species, which form trophic cascades with carbon polymers at the bottom and fully oxidised carbon at the top. It is widely believed that these trophic cascades are hierarchically organised, where organisms at each level rely on organisms at the levels below. However, whether and how the higher-level organisms can also affect processes at the lower levels is not well understood. Here we studied how carbohydrate polymer degradation mediated by secreted enzymes is affected by species at higher trophic levels, i.e., species that cannot produce the enzymes for polymer degradation but can grow in presence of the polymer degraders. We used growth and enzyme assays in combination with transcriptomics to study how chitin degradation by a number of Vibrio strains is affected by the presence of different cross-feeders that consume metabolic by-products. We found that interactions between the degraders and cross-feeders influence the rate of chitin degradation by the community. Furthermore, we show that this is a result of changes in chitinase expression by degraders. Overall, our results demonstrate that interactions between species can influence key ecosystem functions performed by individuals within microbial communities. These results challenge the perspective that trophic cascades based on metabolically coupled microbial communities are unidirectional and provide mechanistic insights into these downstream interactions.

Abstract Proteins are critical in catalyzing chemical reactions, forming key cellular structures, and in regulating cellular processes. Investigation of marine microbial proteins by metaproteomics methods enables the discovery of numerous aspects of microbial biogeochemistry processes. However, these datasets present big-data challenges as they often involve many samples collected across broad geospatial and temporal scales, resulting in thousands of protein identifications, abundances, and corresponding annotation information. The Ocean Protein Portal (OPP) was created to enable data sharing and discovery among multiple scientific domains and serve both research and education functions. The portal focuses on three use case questions: “Where is my protein of interest?”, “Who makes it?”, and “How much is there?”, and provides profile and section visualizations, real-time taxonomic analysis, and links to metadata, sequence analysis, and other external resources to enabling connections to be made between biogeochemical and proteomics datasets.

Abstract We present METATRYP version-2 software that identifies shared peptides across organisms within environmental metaproteomics studies to enable accurate taxonomic attribution of peptides during protein inference. Improvements include: ingestion of complex sequence assembly data categories (metagenomic and metatranscriptomic assemblies, single cell amplified genomes, and metagenome assembled genomes), prediction of the Least Common Ancestor (LCA) for a peptide shared across multiple organisms, increased performance through updates to the backend architecture, and development of a web portal ( https://metatryp.whoi.edu ). Major expansion of the marine database confirms low occurrence of shared tryptic peptides among disparate marine microorganisms, implying tractability for targeted metaproteomics. METATRYP was designed for ocean metaproteomics and has been integrated into the Ocean Protein Portal ( https://oceanproteinportal.org ); however, it can be readily applied to other domains. We describe the rapid deployment of a coronavirus-specific web portal ( https://metatryp-coronavirus.whoi.edu/ ) to aid in use of proteomics on coronavirus research during the ongoing pandemic. A Coronavirus-focused METATRYP database identified potential SARS-CoV-2 peptide biomarkers and indicated very few shared tryptic peptides between SARS-CoV-2 and other disparate taxa, sharing 0.1% peptides or less (1 peptide) with the Influenza A & B pan-proteomes, establishing that taxonomic specificity is achievable using tryptic peptide-based proteomic diagnostic approaches. Statement of significance When assigning taxonomic attribution in bottom-up metaproteomics, the potential for shared tryptic peptides among organisms in mixed communities should be considered. The software program METATRYP v 2 and associated interactive web portals enables users to identify the frequency of shared tryptic peptides among taxonomic groups and evaluate the occurrence of specific tryptic peptides within complex communities. METATRYP facilitates phyloproteomic studies of taxonomic groups and supports the identification and evaluation of potential metaproteomic biomarkers.

Abstract The keystone marine nitrogen fixer Trichodesmium thrives in high dust environments, and while experimental observations suggest that Trichodesmium colonies can access the essential nutrient iron from dust particles, it is not known the extent to which this occurs in the field. Here we demonstrate that Trichodesmium colonies actively process mineral particles in nature with direct molecular impacts. Microscopy and synchrotron-based imaging demonstrated heterogeneous associations with particles consistent with iron oxide and iron silicate minerals. Metaproteomic analysis of individual colonies revealed enrichment of biogeochemically-relevant proteins including photosynthesis proteins and metalloproteins containing iron, nickel, copper and zinc when particles were present. The iron-storage protein ferritin was particularly enriched implying accumulation of particle-derived iron, and multiple iron acquisition pathways including Fe(II), Fe(III), and Fe-siderophore transporters were engaged, including evidence of superoxide-driven particle dissolution. While the particles clearly provided iron, there was also evidence that the concentrated metals had toxic effects. The molecular mechanisms allowing Trichodesmium to interact with particulate minerals are fundamental to its success and global impact on nitrogen biogeochemistry, and may contribute to the leaching of particulate trace metals with implications for global iron and carbon cycling.

The physiology and ecology of particle-associated marine bacteria are of growing interest, but our knowledge of their aggregation behavior and mechanisms controlling their association with particles remains limited. We have found that a particle-associated isolate, Alteromonas sp. ALT199 strain 4B03, and the related type-strain A. macleodii 27126 both form large (>500 μm) aggregates while growing in rich medium. A non-clumping variant (NCV) of 4B03 spontaneously arose in the lab, and whole genome sequencing revealed a partial deletion in the gene encoding UDP-glucose-4-epimerase ( galE Δ308-324). In 27126, a knock-out of galE ( ΔgalE ::km r ) resulted in a loss of aggregation, mimicking the NCV. Microscopic analysis shows that both 4B03 and 27126 rapidly form large aggregates, whereas their respective galE mutants remain primarily as single planktonic cells or clusters of a few cells. Strains 4B03 and 27126 also aggregate chitin particles, but their galE mutants do not. Alcian Blue staining shows that 4B03 and 27126 produce large transparent exopolymer particles (TEP), but their galE mutants are deficient in this regard. This study demonstrates the capabilities of cell-cell aggregation, aggregation of chitin particles, and production of TEP in strains of Alteromonas , a widespread particle-associated genus of heterotrophic marine bacteria. A genetic requirement for galE is evident for each of the above capabilities, expanding the known breadth of requirement for this gene in biofilm-related processes.

Nutrient availability dictates how fast and how much microbial populations grow. Quantifying the relationship between microbial growth and nutrient concentrations makes it possible to promote, inhibit, and predict microbial activity. Microbes require many different resources, including elemental nutrients such as carbon, nitrogen, and the trace metals, as well as complex nutrients like vitamins and amino acids. In nature, many of these nutrients are scarce and their abundances co-vary. This presents the possibility of nutrient colimitation, when more than one resource limits growth simultaneously. Despite growing evidence of possible colimitation in nature, the data is often difficult to interpret and compare due to lack of quantitative definitions for limitation and colimitation. Here we introduce a set of metrics that quantify multiple nutrient limitation in microbial growth. We introduce the limitation coefficient to quantify limitation by individual resources and a colimitation index for measuring the effective number of limiting resources. These quantities demonstrate that limitation conditions are not binary or static, but rather exist on a continuum and can change over time as resource conditions change. These definitions facilitate quantitative comparisons between laboratory experiments and nutrient conditions in nature. Furthermore, they allow us to illustrate how limitation of microbial growth rate and biomass yield are related but distinct notions. To demonstrate these concepts, we measure growth of Escherichia coli under laboratory conditions and demonstrate that colimitation occurs in clonal populations and is readily accessible in laboratory conditions. Finally, we apply our framework to environmental data to provide intuition for what limitation conditions might exist in nature.

While the ecological role that Trichodesmium sp. play in nitrogen fixation has been widely studied, little information is available on potential specialized metabolites that are associated with blooms and standing stock Trichodesmium colonies. While a collection of biological material from a T. thiebautii bloom event from North Padre Island, TX in 2014 indicated that this species was a prolific producer of chlorinated specialized metabolites, additional spatial and temporal resolution was needed. We have completed these metabolite comparison studies, detailed in the current report, utilizing LC-MS/MS-based molecular networking to visualize and annotate the specialized metabolite composition of these Trichodesmium blooms and colonies in the Gulf of Mexico (GoM) and other waters. Our results showed that T. thiebautii blooms and colonies found in the GoM have a remarkably consistent specialized metabolome. Additionally, we isolated and characterized one new macrocyclic compound from T. thiebautii, trichothilone A (1), which was also detected in three independent cultures of T. erythraeum. Genome mining identified genes predicted to synthesize certain functional groups in the T. thiebautii metabolites. These results provoke intriguing questions of how these specialized metabolites affect Trichodesmium ecophysiology, symbioses with marine invertebrates, and niche development in the global oligotrophic ocean.

Abstract The colony-forming cyanobacteria Trichodesmium spp. are considered one of the most important nitrogen-fixing genera in the warm, low nutrient, open ocean. Despite this central biogeochemical role, many questions about their evolution, physiology, and trophic interactions remain unanswered. To address these questions, we describe the genetic potential of the genus via significantly improved genomic assemblies of strains Trichodesmium thiebautii H94, Trichodesmium erythraeum 2175, and 17 new Trichodesmium metagenome-assembled genomes (MAGs, >50% complete) from hand-picked, Trichodesmium colonies spanning the Atlantic Ocean. Phylogenomics identified ∼four N 2 fixing clades of Trichodesmium across the transect, with T. thiebautii dominating the colony-specific reads. Pangenomic analyses showed that all T. thiebautii MAGs are enriched in defense mechanisms and encode a vertically inherited Type III-B Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats and associated protein-based immunity system (CRISPR-Cas hereafter). Surprisingly, this CRISPR-Cas system was absent in all T. erythraeum genomes and MAGs, vertically inherited by T. thiebautii , and correlated with increased signatures of horizontal gene transfer. Multiple lines of evidence indicate that the CRISPR-Cas system is functional in situ: 1. Trichodesmium CRISPR spacer sequences with 100% identical hits to field-assembled, putative phage genome fragments were identified, 2. High Trichodesmium spacer sequence variability indicating rapid adaptation, and 3. metaproteomic and transcriptomic expression analyses detecting the CRISPR-Cas system components in Trichodesmium colonies from the Atlantic and Pacific Oceans. These data suggest that phage or mobile genetic element immunity in T. thiebautii could contribute to their success, gene diversity, and numerical dominance over T. erythraeum in the oceans, thus warranting further Trichodesmium virome investigations. Significance statement Our work identifies CRISPR-Cas immunity as a phylogenetically distinct, environmentally expressed factor in the speciation of closely related N 2 -fixing Trichodesmium clades. These findings suggest that differential phage predation and resistance could be a previously overlooked selective pressure in the genus, potentially leading to the current numerical dominance of T. thiebautii over T. erythraeum in the oceans. Furthermore, while the currently CO 2 -limited T. erythraeum is expected to be a ‘winner’ of anthropogenic climate change, their predicted higher phage sensitivity than T. thiebautii could challenge this outcome.