Abstract Sunlight drives daily rhythms of photosynthesis, growth, and division of photoautotrophs throughout the surface oceans. However, the cascading impacts of oscillatory light input on diverse microbial communities and community-scale metabolism remains unclear. Here we use an unsupervised machine learning approach to show that a small number of diel archetypes can explain pervasive periodic dynamics amongst more than 65,000 distinct time series, including transcriptional activity, macromolecules, lipids, and metabolites from the North Pacific Subtropical Gyre. Overall, we find evidence for synchronous timing of carbon-cycle gene expression that underlie daily oscillations in the concentrations of particulate organic carbon. In contrast, we find evidence of asynchronous timing in gene transcription related to nitrogen metabolism and related metabolic processes consistent with temporal niche partitioning amongst microorganisms in the bacterial and eukaryotic domains.

Abstract Sunlight is the most important environmental control on diel fluctuations in phytoplankton activity, and understanding diel microbial processes is essential to the study of oceanic biogeochemical cycles. Yet, little is known about the in situ frequency of phytoplankton metabolic activities and their coordination across different populations. We investigated the diel orchestration of phytoplankton activity involved in photosynthesis, photoacclimation, and photoprotection by analyzing the pigment and quinone distribution in combination with metatranscriptomes in the surface waters of the North Pacific Subtropical Gyre (NPSG). We found diel cycles in pigment abundances resulting from the balance of their synthesis and consumption. The night represents a metabolic recovery phase to refill cellular pigment stores, while the photosystems are remodeled towards photoprotection during the day. Transcript levels of genes involved in photosynthesis and pigment metabolism had highly synchronized diel expression patterns among all taxa, suggesting that there are similar regulatory mechanisms for light and energy metabolism across domains, and that other environmental factors drive niche differentiation. Observed decoupling of diel oscillations in transcripts and related pigments in the NPSG indicates that pigment abundance is modulated by environmental factors extending beyond gene expression/regulation, showing that metatranscriptomes may provide only limited insights on real-time photophysiological metabolism.

Abstract Photosynthesis fuels primary production at the base of marine food webs. Yet, in many surface ocean ecosystems, diel-driven primary production is tightly coupled to daily loss. This tight coupling raises the question: which top-down drivers predominate in maintaining persistently stable picocyanobacterial populations over longer time scales? Motivated by high-frequency surface water measurements taken in the North Pacific Subtropical Gyre (NPSG), we developed multitrophic models to investigate bottom-up and top-down mechanisms underlying the balanced control of Prochlorococcus populations. We find that incorporating photosynthetic growth with viral- and predator-induced mortality is sufficient to recapitulate daily oscillations of Prochlorococcus abundances with baseline community abundances. In doing so, we infer that grazers function as the primary top-down factor despite high standing viral particle densities while identifying the potential for light-dependent viral traits and non-canonical loss factors to shape the structure and function of marine microbial communities.

Prochlorococcus is a diverse picocyanobacterial genus and the most abundant phototroph on Earth. Its photosynthetic diversity divides it into high- or low-light adapted groups representing broad phylogenetic grades - each composed of several monophyletic clades. Here we physiologically characterize four new Prochlorococcus strains isolated from below the deep chlorophyll maximum in the North Pacific Ocean and combine this information with genomic and evolutionary analyses. The isolates belong to deeply-branching low-light adapted clades that have no other cultivated representatives and display some unusual characteristics. For example, despite its otherwise low-light adapted physiological characteristics, strain MIT1223 has low chl b2 content similar to high-light adapted strains. Isolate genomes revealed that each strain contains a unique arsenal of pigment biosynthesis and binding alleles that have been horizontally acquired, contributing to the observed physiological diversity. Comparative genomic analysis of all picocyanobacteria reveals that Pcb, the major pigment carrying protein in Prochlorococcus, greatly increased in copy number and diversity per genome along a branch that coincides with the loss of facultative particle attachment. Collectively, these observations add support to the current macroevolutionary model of picocyanobacteria, where niche constructing radiations allowed ancestral lineages to transition from a particle-attached to planktonic lifestyle and broadly colonize the water column, followed by adaptive radiations near the surface that pushed ancestral lineages deeper in the euphotic zone resulting in modern depth-abundance profiles.

The dominant organisms in modern oxic ecosystems rely on respiratory quinones with high redox potential (HPQs) for electron transport in aerobic respiration and photosynthesis. The diversification of quinones, from low redox potential in anaerobes to HPQs in aerobes, is assumed to have followed Earth's surface oxygenation ~2.3 billion years ago. However, the evolutionary origins of HPQs remain unresolved. Here, we reconstruct the biosynthetic pathway of a novel HPQ, methyl-plastoquinone, that is unique to bacteria of the phylum Nitrospirota. We demonstrate that the three extant HPQ biosynthetic pathways, in Nitrospirota, Cyanobacteriota, and Pseudomonadota, share a common origin that predates the emergence of these phyla. We show that aerobic metabolism using HPQs is ancestral to Cyanobacteriota and Pseudomonadota and significantly predates Earth's surface oxygenation.

Abstract Extracellular vesicles are small (~50–200 nm diameter) membrane-bound structures released by cells from all domains of life. While vesicles are abundant in the oceans, our understanding of their functions, both for cells themselves and the emergent ecosystem, is in its infancy. To advance this understanding, we analyzed the lipid, protein, and metabolite content of vesicles produced by the marine cyanobacterium Prochlorococcus . We show that Prochlorococcus exports an enormous array of cellular compounds into the surrounding seawater within vesicles. Vesicles produced by two different strains contain some materials in common, but also display numerous strain-specific differences, reflecting functional complexity within natural vesicle populations. Prochlorococcus vesicles contain active enzymes, indicating that they can mediate extracellular biogeochemical reactions in the ocean. We demonstrate that vesicles from Prochlorococcus and other bacteria associate with diverse microbes including the most abundant marine bacterium, Pelagibacter . Our observations suggest that vesicles may play diverse functional roles in the oceans, including but not limited to mediating energy and nutrient transfers, catalyzing extracellular biochemical reactions, and mitigating toxicity of reactive oxygen species. These findings indicate that a portion of ‘dissolved’ compounds in the oceans are not truly dissolved, but are instead packaged within locally structured, particulate vesicles.