Abstract Fonsibacter (LD12 subclade) are among the most abundant bacterioplankton in freshwater ecosystems. These bacteria belong to the order Pelagibacterales (SAR11) and are related to Pelagibacter (marine SAR11) that dominate many marine habitats. Although a handful of Pelagibacter phage (Pelagiphage) have been described, no phage that infect Fonsibacter have been reported. In this study, a complete Fonsibacter genome containing a prophage was reconstructed from metagenomic data. A circularized and complete genome related to the prophage, referred to as uv-Fonsiphage-EPL, shows high similarity to marine Pelagiphage HTVC025P. Additionally, we reconstructed three complete and one draft genome of phage related to marine Pelagiphage HTVC010P, and predicted a lytic strategy. The similarity in codon usage and co-occurrence patterns of HTVC010P-related phage and Fonsibacter suggested that these phage infect Fonsibacter . Similar phage were detected in Lake Mendota, Wisconsin, where Fonsibacter is also present. A search of related phage revealed the worldwide distribution of some genotypes in freshwater ecosystems, suggesting their substantial role in shaping indigenous microbial assemblages and influence on biogeochemical cycling. However, the uv-Fonsiphage-EPL and one lineage of HTVC010P-related phage have a more limited distribution in freshwater ecosystems. Based on this, and their close phylogenetic relatedness with Pelagiphage, we predict that they transitioned from saline into freshwater ecosystems comparatively recently. Overall, the findings provide insights into the genomic features of phage that infect Fonsibacter , and expand understanding of the ecology and evolution of these important bacteria.

Abstract Marine bacterioplankton communities are dominated by cells equipped with small genomes. Streamlining selection has been accepted as the main force driving their genome reduction. Here, we report that a neutral evolutionary mechanism governs genome reduction in the Roseobacter group that represents 5-20% of the bacterioplankton cells in coastal waters. Using representative strains that fall into three genome size groups (2-3, 3-4, and 4-5 Mbp), we measured their genomic mutation rates (μ) through long-term mutation accumulation experiments followed by genome sequencing the resulting 437 mutant lines. We further calculated their effective population sizes ( N e ) based on μ and the neutral genetic diversity of the studied species, the latter estimated based on multiple genome sequences of natural isolates collected from global oceans with their population structure considered. A surprising finding is that N e scales positively with genome size, which is the opposite of the expectation from the streamlining selection theory. As the strength of random genetic drift is the inverse of N e , this result instead suggests drift as the primary driver of genome reduction. Additionally, we report a negative scaling between μ and genome size, which is the first experimental evidence for the long-lasting hypothesis that mutation rate increases play a part in marine bacterial genome reduction. As μ scales inversely with N e , genetic drift appears to be the ultimate cause of genome reduction in these Roseobacters. Our finding discounts, but is insufficient to reject, the streamlining theory because streamlining process is expected to be more effective in oligotrophic open ocean waters.

Summary Members of the marine Roseobacter group are key players in the global carbon and sulfur cycles. While over 300 species have been described, only 2% possess reduced genomes (mostly 3-3.5 Mbp) compared to an average roseobacter (>4 Mbp). These taxonomic minorities are phylogenetically diverse but form a Pelagic Roseobacter Cluster (PRC) at the genome content level. Here, we cultivated eight isolates constituting a novel Roseobacter lineage which we named ‘CHUG’. Metagenomic and metatranscriptomic read recruitment analyses showed that CHUG members were globally distributed and active in marine environments. CHUG members possess some of the smallest genomes (~2.52 Mb) among all known roseobacters, but they do not exhibit canonical features of genome streamlining like higher coding density or fewer paralogues and pseudogenes compared to their sister lineages. While CHUG members are clustered with traditional PRC members at the genome content level, they show important differences. Unlike other PRC members, neither the relative abundances of CHUG members nor their gene expression levels are correlated with chlorophyll a concentration across the global samples. Moreover, CHUG members cannot synthesize vitamin B 12 , a key metabolite made by most roseobacters but not by many phytoplankton species and thus thought to mediate the roseobacter-phytoplankton interactions. This combination of features is evidence for the hypothesis that CHUG members may have evolved a free-living lifestyle decoupled from phytoplankton. This ecological transition was accompanied by the loss of signature genes involved in roseobacter-phytoplankton symbiosis, suggesting that relaxation of purifying selection is likely an important driver of genome reduction in CHUG.

The Pelagibacterales order (SAR11) in Alphaproteobacteria dominates marine surface bacterioplankton communities, where it plays a key role in carbon and nutrient cycling. SAR11 phages, known as pelagiphages, are among the most abundant phages in the ocean. Four pelagiphages that infect Pelagibacter HTCC1062 have been reported. Here we report 11 new pelagiphages in the Podoviridae family. Comparative genomic analysis revealed that they are all closely related to previously reported pelagiphages HTVC011P and HTVC019P, in the HTVC019Pvirus genus. HTVC019Pvirus pelagiphages share a core genome of 15 genes, with a pan-genome of 234 genes. Phylogenomic analysis clustered these pelagiphages into four subgroups. Integrases were identified in all but one pelagiphage genome. Evidence of site-specific integration was obtained by high-throughput sequencing and sequencing PCR amplicons containing predicted integration sites, demonstrating the capacity of pelagiphages to propagate by both lytic and lysogenic infection. HTVC019P, HTVC021P, HTVC022P, HTVC201P and HTVC121P integrate into tRNA-Cys. HTVC011P, HTVC025P, HTVC105P, HTVC109P, HTVC119P and HTVC200P target tRNA-Leu, while HTVC120P integrates into tRNA-Arg. Evidence of pelagiphage integration was also retrieved from Global Ocean Survey database, suggesting the occurrence of pelagiphage integration in situ. The capacity of HTVC019Pvirus pelagiphages to integrate into host genomes suggests they could impact SAR11 populations by a variety of mechanisms, including mortality, genetic transduction, and prophage-induced viral immunity. HTVC019Pvirus pelagiphages are a rare example of a lysogenic phage that can be implicated in ecological processes on broad scales, and thus have potential to become a useful model for investigating strategies of host infection and phage-dependent horizontal gene transfer.

Many major marine bacterial lineages such as SAR11, Prochlorococcus, SAR116, and several Roseobacter lineages have members that are abundant, relatively slow-growing, and genome-streamlined. The isolation of phages that infect SAR11 and SAR116 have demonstrated the dominance of these phages in the marine virosphere. However, no phages have been isolated from bacteria in the Roseobacter RCA lineage, another abundant group of bacteria in the ocean. In this study, seven RCA phages that infect three different RCA strains were isolated and characterized. All seven RCA phages belong to the Podoviridae family and have genome sizes ranging from 39.6 to 58.1 kb. Interestingly, three RCA phages (CRP-1, CRP-2 and CRP-3) show a similar genomic content and architecture with SAR116 phage HMO-2011, which represents one of the most abundant known viral groups in the ocean. The high degree of homology between CRP-1, CRP-2, CRP-3 and HMO-2011 resulted in contribution of the RCA phages to the dominance of HMO-2011-type phage in the ocean. CRP-4 and CRP-5 are similar to the Siovirus roseophages in terms of gene content and organization. The remaining two RCA phages, CRP-6 and CRP-7, show limited genomic similarity with known phages and appear to form two new phage genera. Metagenomic fragment recruitment analyses reveal that these RCA phage groups are much more abundant in the ocean compared to most existing marine roseophage groups. The characterization of these RCA phages has greatly expanded our understanding of the genomic diversity and evolution of marine roseophages. Metagenomic fragment recruitment analyses suggest the critical need for isolating phages from the abundant but "unculturable" bacteria in the marine ecosystem.

Abstract The CHAB-I-5 cluster is a pelagic lineage that can comprise a significant proportion of all roseobacters in surface oceans and have predicted roles in biogeochemical cycling via heterotrophy, aerobic anoxygenic photosynthesis (AAnP), CO oxidation, DMSP degradation, and other metabolisms. Though cultures of CHAB-I-5 have been reported, none have been explored and the best known representative, strain SB2, was lost from culture after obtaining the genome sequence. We have isolated two new CHAB-I-5 representatives, strains US3C007 and FZCC0083, and assembled complete, circularized genomes with 98.7% and 92.5% average nucleotide identities with the SB2 genome. Comparison of these three with 49 other unique CHAB-I-5 metagenome-assembled and single-cell genomes indicated that the cluster represents a genus with two species, and we identified subtle differences in genomic content between the two species subclusters. Metagenomic recruitment from over fourteen hundred samples expanded their known global distribution and highlighted both isolated strains as representative members of the clade. FZCC0083 grew over twice as fast as US3C007 and over a wider range of temperatures. The axenic culture of US3C007 occurs as pleomorphic cells with most exhibiting a coccobacillus/vibrioid shape. We propose the name Thalassovivens spotae , gen nov., sp. nov. for the type strain US3C007 T .

Abstract The marine roseobacter-clade Affiliated cluster (RCA) represents one of the most abundant groups of bacterioplankton in the global oceans, particularly in temperate and sub-polar regions. They play a key role in the biogeochemical cycling of various elements and are important players in oceanic climate-active trace gas metabolism. In contrast to copiotrophic roseobacter counterparts such as Ruegeria pomeroyi DSS-3 and Phaeobacter sp. MED193, RCA bacteria are truly pelagic and have smaller genomes. We have previously shown that RCA bacteria do not appear to encode the PlcP-mediated lipid remodelling pathway, whereby marine heterotrophic bacteria remodel their membrane lipid composition in response to phosphorus (P) stress by substituting membrane glycerophospholipids with alternative glycolipids or betaine lipids. In this study, we report lipidomic analysis of six RCA isolates. In addition to the commonly found glycerophospholipids such as phosphatidylglycerol and phosphatidylethanolamine, RCA bacteria synthesise a relatively uncommon phospholipid, acylphosphatidylglycerol, which is not found in copiotrophic roseobacters. Instead, like the abundant SAR11 clade, RCA bacteria upregulate ornithine lipid biosynthesis in response to P stress, suggesting a key role of this aminolipid in the adaptation of marine heterotrophs to oceanic nutrient limitation.

Viruses play a key role in biogeochemical cycling and host mortality, metabolism, physiology and evolution in the ocean. Viruses that infect the globally abundant marine SAR11 bacteria (pelagiphages) were reported to be an important component of the marine viral community. In this study, ten pelagiphages that infect three different Pelagibacter strains were isolated from various geographical locations and were genomically characterized. All ten pelagiphages are novel, representing four new lineages of the Podoviridae family. Although they share limited homology with cultured phage isolates, they are all closely related to some environmental viral fragments. Two HTVC023P-type pelagiphages are shown to be related to the abundant VC\_6 and VC\_8 viral populations of the Global Oceans Viromes (GOV) datasets. Interestingly, HTVC103P-type pelagiphages contain a structural module similar to that in SAR116 phage HMO-2011. Three HTVC111P-type pelagiphages and HTVC106P are also novel and related to GOV VC\_41 and VC\_67 viral populations, respectively. Remarkably, these pelagiphage represented phage groups are all globally distributed and predominant. Half of the top ten most abundant known marine phage groups are represented by pelagiphages. The HTVC023P-type group is the most abundant known viral group, exceeding the abundance of HTVC010P-type and HMO-2011-type groups. Furthermore, the HTVC023P-type group is also abundant throughout the water column. Altogether, this study has greatly broadened our understanding of pelagiphages regarding their genetic diversity, phage-host interactions and the distribution pattern. Availability of these newly isolated pelagiphages and their genome sequences will allow us to further explore their phage-host interactions and ecological strategies.