Microbes are dominant drivers of biogeochemical processes, yet drawing a global picture of functional diversity, microbial community structure, and their ecological determinants remains a grand challenge. We analyzed 7.2 terabases of metagenomic data from 243 Tara Oceans samples from 68 locations in epipelagic and mesopelagic waters across the globe to generate an ocean microbial reference gene catalog with >40 million nonredundant, mostly novel sequences from viruses, prokaryotes, and picoeukaryotes. Using 139 prokaryote-enriched samples, containing >35,000 species, we show vertical stratification with epipelagic community composition mostly driven by temperature rather than other environmental factors or geography. We identify ocean microbial core functionality and reveal that >73% of its abundance is shared with the human gut microbiome despite the physicochemical differences between these two ecosystems.

Marine plankton support global biological and geochemical processes. Surveys of their biodiversity have hitherto been geographically restricted and have not accounted for the full range of plankton size. We assessed eukaryotic diversity from 334 size-fractionated photic-zone plankton communities collected across tropical and temperate oceans during the circumglobal Tara Oceans expedition. We analyzed 18S ribosomal DNA sequences across the intermediate plankton-size spectrum from the smallest unicellular eukaryotes (protists, >0.8 micrometers) to small animals of a few millimeters. Eukaryotic ribosomal diversity saturated at ~150,000 operational taxonomic units, about one-third of which could not be assigned to known eukaryotic groups. Diversity emerged at all taxonomic levels, both within the groups comprising the ~11,200 cataloged morphospecies of eukaryotic plankton and among twice as many other deep-branching lineages of unappreciated importance in plankton ecology studies. Most eukaryotic plankton biodiversity belonged to heterotrophic protistan groups, particularly those known to be parasites or symbiotic hosts.

Species interaction networks are shaped by abiotic and biotic factors. Here, as part of the Tara Oceans project, we studied the photic zone interactome using environmental factors and organismal abundance profiles and found that environmental factors are incomplete predictors of community structure. We found associations across plankton functional types and phylogenetic groups to be nonrandomly distributed on the network and driven by both local and global patterns. We identified interactions among grazers, primary producers, viruses, and (mainly parasitic) symbionts and validated network-generated hypotheses using microscopy to confirm symbiotic relationships. We have thus provided a resource to support further research on ocean food webs and integrating biological components into ocean models.

The assembly and analysis of complete genomes and large genomic fragments have tripled the number of known ocean viruses and uncovered the potentially important roles they play in nitrogen and sulfur cycling. Ocean viruses profoundly impact microbial community composition and metabolic activity in the oceans, thereby affecting global-scale biogeochemical cycling. Owing to sampling and cultivation challenges, viral diversity remains poorly described at the genome level, such that less than one per cent of observed surface-ocean viruses are 'known'. Information on viruses of the deep ocean is particularly scarce. Here, Matthew Sullivan and colleagues report the assembly of complete genomes and large genomic fragments from both surface- and deep-ocean viruses sampled during the Tara Oceans and Malaspina research expeditions. The resulting Global Oceans Viromes dataset roughly triples known ocean viral populations and doubles known candidate bacterial and archaeal viral genera. Using this global map, the study predicts viral hosts and identifies viral auxiliary metabolic genes, most of which were previously unknown. Ocean microbes drive biogeochemical cycling on a global scale1. However, this cycling is constrained by viruses that affect community composition, metabolic activity, and evolutionary trajectories2,3. Owing to challenges with the sampling and cultivation of viruses, genome-level viral diversity remains poorly described and grossly understudied, with less than 1% of observed surface-ocean viruses known4. Here we assemble complete genomes and large genomic fragments from both surface- and deep-ocean viruses sampled during the Tara Oceans and Malaspina research expeditions5,6, and analyse the resulting ‘global ocean virome’ dataset to present a global map of abundant, double-stranded DNA viruses complete with genomic and ecological contexts. A total of 15,222 epipelagic and mesopelagic viral populations were identified, comprising 867 viral clusters (defined as approximately genus-level groups7,8). This roughly triples the number of known ocean viral populations4 and doubles the number of candidate bacterial and archaeal virus genera8, providing a near-complete sampling of epipelagic communities at both the population and viral-cluster level. We found that 38 of the 867 viral clusters were locally or globally abundant, together accounting for nearly half of the viral populations in any global ocean virome sample. While two-thirds of these clusters represent newly described viruses lacking any cultivated representative, most could be computationally linked to dominant, ecologically relevant microbial hosts. Moreover, we identified 243 viral-encoded auxiliary metabolic genes, of which only 95 were previously known. Deeper analyses of four of these auxiliary metabolic genes (dsrC, soxYZ, P-II (also known as glnB) and amoC) revealed that abundant viruses may directly manipulate sulfur and nitrogen cycling throughout the epipelagic ocean. This viral catalog and functional analyses provide a necessary foundation for the meaningful integration of viruses into ecosystem models where they act as key players in nutrient cycling and trophic networks.

Viruses influence ecosystems by modulating microbial population size, diversity, metabolic outputs, and gene flow. Here, we use quantitative double-stranded DNA (dsDNA) viral-fraction metagenomes (viromes) and whole viral community morphological data sets from 43 Tara Oceans expedition samples to assess viral community patterns and structure in the upper ocean. Protein cluster cataloging defined pelagic upper-ocean viral community pan and core gene sets and suggested that this sequence space is well-sampled. Analyses of viral protein clusters, populations, and morphology revealed biogeographic patterns whereby viral communities were passively transported on oceanic currents and locally structured by environmental conditions that affect host community structure. Together, these investigations establish a global ocean dsDNA viromic data set with analyses supporting the seed-bank hypothesis to explain how oceanic viral communities maintain high local diversity.

The biological carbon pump is the process by which CO2 is transformed to organic carbon via photosynthesis, exported through sinking particles, and finally sequestered in the deep ocean. While the intensity of the pump correlates with plankton community composition, the underlying ecosystem structure driving the process remains largely uncharacterized. Here we use environmental and metagenomic data gathered during the Tara Oceans expedition to improve our understanding of carbon export in the oligotrophic ocean. We show that specific plankton communities, from the surface and deep chlorophyll maximum, correlate with carbon export at 150 m and highlight unexpected taxa such as Radiolaria and alveolate parasites, as well as Synechococcus and their phages, as lineages most strongly associated with carbon export in the subtropical, nutrient-depleted, oligotrophic ocean. Additionally, we show that the relative abundance of a few bacterial and viral genes can predict a significant fraction of the variability in carbon export in these regions.

The structure, robustness, and dynamics of ocean plankton ecosystems remain poorly understood due to sampling, analysis, and computational limitations. The Tara Oceans consortium organizes expeditions to help fill this gap at the global level.

Abstract The Tara Oceans expedition (2009–2013) sampled contrasting ecosystems of the world oceans, collecting environmental data and plankton, from viruses to metazoans, for later analysis using modern sequencing and state-of-the-art imaging technologies. It surveyed 210 ecosystems in 20 biogeographic provinces, collecting over 35,000 samples of seawater and plankton. The interpretation of such an extensive collection of samples in their ecological context requires means to explore, assess and access raw and validated data sets. To address this challenge, the Tara Oceans Consortium offers open science resources, including the use of open access archives for nucleotides (ENA) and for environmental, biogeochemical, taxonomic and morphological data (PANGAEA), and the development of on line discovery tools and collaborative annotation tools for sequences and images. Here, we present an overview of Tara Oceans Data, and we provide detailed registries (data sets) of all campaigns (from port-to-port), stations and sampling events.

Ocean microbial communities strongly influence the biogeochemistry, food webs, and climate of our planet. Despite recent advances in understanding their taxonomic and genomic compositions, little is known about how their transcriptomes vary globally. Here, we present a dataset of 187 metatranscriptomes and 370 metagenomes from 126 globally distributed sampling stations and establish a resource of 47 million genes to study community-level transcriptomes across depth layers from pole-to-pole. We examine gene expression changes and community turnover as the underlying mechanisms shaping community transcriptomes along these axes of environmental variation and show how their individual contributions differ for multiple biogeochemically relevant processes. Furthermore, we find the relative contribution of gene expression changes to be significantly lower in polar than in non-polar waters and hypothesize that in polar regions, alterations in community activity in response to ocean warming will be driven more strongly by changes in organismal composition than by gene regulatory mechanisms.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI2ZDM3MTU3MTVlOWRjMjIwNjk3YmVlYTM4ZTFiYzA2NSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc5MzU4ODUzfQ.fR9n_CSDtj4NFNODQlYoh6-2hFK0eZLlkic_Tn2t6PReywCIRha7nJWNHEIa6TAVQq9D_kITAxjm7S04fAMziv-PQlBSfhL_LHBkD71WD64HFYZ-ET_4opJHSoEHKaf5frPuEEoZv_5n0WnuOl5fQlTHFURvD5f3GdcDiLnsUTIg_dKdeGl-KyXt6o9o5RDkcPiKgsNJkKAnw6nl263TvlMFG4WAW-wiQqbPBJCkmfoVvfMl1-qv6OMGso0eg7aFpbom6dqhlEZ4b4nBub03i9BEPccL7pf0G8bCICA2lqQB4j1ryqeK_zPImWClizV4XTOzLn7V-1MnIxPTsevMrg(mp4, (132.7 MB) Download video

Sequencing of 16S rDNA polymerase chain reaction (PCR) amplicons is the most common approach for investigating environmental prokaryotic diversity, despite the known biases introduced during PCR. Here we show that 16S rDNA fragments derived from Illumina-sequenced environmental metagenomes (mi tags) are a powerful alternative to 16S rDNA amplicons for investigating the taxonomic diversity and structure of prokaryotic communities. As part of the Tara Oceans global expedition, marine plankton was sampled in three locations, resulting in 29 subsamples for which metagenomes were produced by shotgun Illumina sequencing (ca. 700 Gb). For comparative analyses, a subset of samples was also selected for Roche-454 sequencing using both shotgun (m454 tags; 13 metagenomes, ca. 2.4 Gb) and 16S rDNA amplicon (454 tags; ca. 0.075 Gb) approaches. Our results indicate that by overcoming PCR biases related to amplification and primer mismatch, mi tags may provide more realistic estimates of community richness and evenness than amplicon 454 tags. In addition, mi tags can capture expected beta diversity patterns. Using mi tags is now economically feasible given the dramatic reduction in high-throughput sequencing costs, having the advantage of retrieving simultaneously both taxonomic (Bacteria, Archaea and Eukarya) and functional information from the same microbial community.