Abstract Metabolic processes that fuel the growth of heterotrophic microbial communities are initiated by specialized biopolymer degraders that decompose complex forms of organic matter. It is unclear, however, to what extent degraders control the downstream assembly of the community that follows polymer breakdown. Investigating a model marine microbial community that degrades chitin, we show that chitinases secreted by different degraders produce oligomers of specific chain lengths that not only select for specialized consumers but also influence the metabolites secreted by these consumers into a shared resource pool. Each species participating in the breakdown cascade exhibits unique hierarchical preferences for substrates, which underlies the sequential colonization of metabolically distinct groups as resource availability changes over time. By identifying the metabolic underpinnings of microbial community assembly, we reveal a hierarchical crossfeeding structure that allows biopolymer degraders to shape the dynamics of community assembly. One sentence summary Specialized biopolymer degraders direct the trajectory of microbial community assembly through interconnected modes of nutrient crossfeeding.

Abstract In many natural environments, microorganisms self-assemble around heterogeneously distributed resource patches. The growth and collapse of populations on resource patches can unfold within spatial ranges of a few hundred micrometers or less, making such microscale ecosystems hotspots of biological interactions and nutrient fluxes. Despite the potential importance of patch-level dynamics for the large-scale evolution and function of microbial communities, we have not yet been able to delineate the ecological processes that control natural populations at the microscale. Here, we addressed this challenge in the context of microbially-mediated degradation of particulate organic matter by characterizing the natural marine communities that assembled on over one thousand individual microscale chitin particles. Through shotgun metagenomics, we found significant variation in microscale community composition despite the similarity in initial species pools across replicates. Strikingly, a subset of particles was highly populated by rare chitin-degrading strains; we hypothesized that their conditional success reflected the impact of stochastic colonization and growth on community assembly. In contrast to the conserved functional structures that emerge in ecosystems at larger scales, this taxonomic variability translated to a wide range of predicted chitinolytic abilities and growth returns at the level of individual particles. We found that predation by temperate bacteriophages, especially of degrader strains, was a significant contributor to the variability in the bacterial compositions and yields observed across communities. Our study suggests that initial stochasticity in assembly states at the microscale, amplified through biotic interactions, may have significant consequences for the diversity and functionality of microbial communities at larger scales. Significance Statement The biogeochemical consequences of the degradation of particulate organic matter by microorganisms represent the cumulative effect of microbial activity on individual microscale resource patches. The ecological processes controlling community dynamics in these highly localized microenvironments remain poorly understood. Here, we find that complex marine communities growing on microscale resource particles diverge both taxonomically and functionally despite assembling under identical abiotic conditions from a common species pool. We show that this variability stems from bacteriophage predation and history-dependent factors in community assembly, which create stochastic dynamics that are spatially structured at the microscale. This microscale stochasticity may have significant consequences for the coexistence, evolution, and function of diverse bacterial and viral populations in the global ocean.

Microbial community assembly is governed by complex interaction networks based on the secretion and exchange of metabolites. While the importance of trophic interactions (e.g. cross-feeding of metabolic byproducts) in structuring microbial communities is well-established, the roles of myriad natural products such as vitamins, siderophores, and antibiotics remain unclear. Here, we focus on the role of B vitamins in coastal marine bacterial communities that degrade particulate organic matter. We find that natural seawater particle-associated communities are vitamin limited and almost a third of bacterial isolates from these communities are B vitamin auxotrophs. Auxotroph growth rates are limited under even maximal environmental vitamin concentrations, indicating that auxotrophs likely survive through cross-feeding with community members. We find that polysaccharide-degrading bacteria tend to be vitamin prototrophs, suggesting that the initial arrival of degraders to a particle may promote a succession to auxotrophic taxa partially through vitamin cross-feeding. However, auxotrophs with complementary vitamin requirements were generally not able to grow in co-culture, and auxotroph growth was only partially rescued by prototrophs. We conclude that while vitamin auxotrophies are important metabolic dependencies shaping community structure, vitamin cross-feeding may primarily take place through cell lysis.

Abstract Phage-plasmids are extra-chromosomal elements that act both as plasmids and as phages, whose eco-evolutionary dynamics remain poorly constrained. Here, we show segregational drift and loss- of-function mutations play key roles in the infection dynamics of a cosmopolitan phage-plasmid, allowing it to create continuous productive infections in a population of marine Roseobacter . Recurrent loss-of-function mutations in the phage repressor that controls prophage induction led to constitutively lytic phage-plasmids that spread rapidly throughout the population. The entire phage-plasmid genome was packaged into virions, which were horizontally transferred by re-infecting lysogenized cells, leading to an increase in phage-plasmid copy number and to a heterozygous phage repressor locus within re-infected cells. While wild-type repressor variants prevented induction of phage-plasmids in a cell, the uneven apportionment of phage-plasmids after cell division (i.e., segregational drift) led to the production of offspring carrying only the constitutively lytic phage-plasmid, thus restarting the lysis-reinfection-segregation life-cycle. Mathematical models and experiments showed that these dynamics lead to a continuous productive infection of the bacterial population in which lytic and lysogenic phage-plasmids coexist. An analysis of marine bacterial genomes shows that the same plasmid backbone here described carries different phages in the environment and disseminates trans-continentally, suggesting that the phage-plasmid strategy is relevant and widespread in nature. Together, our study describes how the interplay between phage infection and plasmid genetics provide a unique eco-evolutionary strategy for phage-plasmids.