Abstract Marine Synechococcus comprise a numerically and ecologically prominent phytoplankton group, playing a major role in both carbon cycling and trophic networks in all oceanic regions except in the polar oceans. Despite their high abundance in coastal areas, our knowledge of Synechococcus communities in these environments is based on only a few local studies. Here, we use the global metagenome dataset of the Ocean Sampling Day (June 21 st 2014) to get a snapshot of the taxonomic composition of coastal Synechococcus communities worldwide, by recruitment on a reference database of 141 picocyanobacterial genomes, representative of the whole Prochlorococcus, Synechococcus and Cyanobium diversity. This allowed us to unravel drastic community shifts over small to medium scale gradients of environmental factors, in particular along European coasts. The combined analysis of the phylogeography of natural populations and the thermophysiological characterization of eight strains, representative of the four major Synechococcus lineages (clades I to IV), also brought novel insights about the differential niche partitioning of clades I and IV, which most often co-dominate the Synechococcus community in cold and temperate coastal areas. Altogether, this study tackles the main differences between open-ocean and coastal communities worldwide.

Diversity-generating retroelements (DGRs) are used by bacteria, archaea and viruses as a targeted mutagenesis tool. Through error-prone reverse transcription, DGRs introduce random mutations at specific genomic loci, enabling rapid evolution of these targeted genes. However, the function and benefits of DGR-diversified proteins in cellular hosts remains elusive. We find that 82% of DGRs from one of the major monophyletic lineages of DGR reverse transcriptases are encoded by multicellular bacteria, which often have two or more DGR loci in their genomes. Using the multicellular purple sulfur bacterium Thiohalocapsa sp. PB-PSB1 as an example, we characterized nine distinct DGR loci that cumulatively lead to more than 10294 possible different combinations of target polypeptides. With environmental metagenomes from individual Thiohalocapsa aggregates, we show that most of PB-PSB19s DGR targets are diversified across its biogeographic range, with spatial heterogeneity in the diversity of each locus. In PSB1 and other members of this lineage of cellular DGRs, diversified target genes are associated with NACHT-domain anti-phage defenses and putative ternary conflict systems previously shown to be enriched in multicellular bacteria. We propose that these DGR-diversified target genes act as antigen sensors that confer a form of adaptive immunity to their multicellular consortia. These findings have implications for the emergence of multicellularity, as the NACHT-domain anti-phage systems and ternary systems share both domain homology and conceptual similarities with the innate immune and programmed cell death pathways of plants and metazoans.

Abstract The plasticity of bacterial and archaeal genomes makes examining their ecological and evolutionary dynamics both exciting and challenging. The same mechanisms that enable rapid genomic change and adaptation confound current approaches for recovering complete genomes from metagenomes. Here, we use strain-specific patterns of DNA methylation to resolve complex bacterial genomes from the long-read metagenome of a marine microbial consortia, the “pink berries” of the Sippewissett Marsh. Unique combinations of restriction-modification (RM) systems encoded by the bacteria produced distinctive methylation profiles that accurately binned and classified metagenomic sequences. We linked the methylation patterns of each metagenome-assembled genome with encoded DNA methyltransferases and discovered new restriction modification (RM) defense systems, including novel associations of RM systems with RNase toxins. Using this approach, we finished the largest and most complex circularized bacterial genome ever recovered from a metagenome (7.9 Mb with >600 IS elements), the finished genome of Thiohalocapsa sp. PB-PSB1 the dominant bacteria in the consortia. From these methylation-binned genomes, we identified instances of lateral gene transfer between sulfur-cycling symbionts ( Thiohalocapsa sp. PB-PSB1 and Desulfofustis sp. PB-SRB1), phage infection, and strain-level structural variation.

Abstract Marine Synechococcus cyanobacteria are ubiquitous in the ocean, a feature likely related to their extensive genetic diversity. Amongst the major lineages, clades I and IV preferentially thrive in temperate and cold, nutrient-rich waters, whilst clades II and III prefer warm, nitrogen or phosphorus-depleted waters. The existence of such cold (I/IV) and warm (II/III) thermotypes is corroborated by physiological characterization of representative strains. A fifth clade, CRD1, was recently shown to dominate the Synechococcus community in iron-depleted areas of the world ocean and to encompass three distinct ecologically significant taxonomic units (ESTUs CRD1A-C) occupying different thermal niches, suggesting that distinct thermotypes could also occur within this clade. Here, using comparative thermophysiology of strains representative of these three CRD1 ESTUs we show that the CRD1A strain MITS9220 is a warm thermotype, the CRD1B strain BIOS-U3-1 a cold temperate thermotype, and the CRD1C strain BIOS-E4-1 a warm temperate stenotherm. Curiously, the CRD1B thermotype lacks traits and/or genomic features typical of cold thermotypes. In contrast, we found specific physiological traits of the CRD1 strains compared to their clade I, II, III and IV counterparts, including a lower growth rate and photosystem II maximal quantum yield at most temperatures and a higher turnover rate of the D1 protein. Together, our data suggests that the CRD1 clade prioritizes adaptation to low-iron conditions over temperature adaptation, even though the occurrence of several CRD1 thermotypes likely explains why the CRD1 clade as a whole occupies most iron-limited waters.

Abstract The ever-increasing number of available microbial genomes and metagenomes provide new opportunities to investigate the links between niche partitioning and genome evolution in the ocean, notably for the abundant and ubiquitous marine picocyanobacteria Prochlorococcus and Synechococcus . Here, by combining metagenome analyses of the Tara Oceans dataset with comparative genomics, including phyletic patterns and genomic context of individual genes from 256 reference genomes, we first showed that picocyanobacterial communities thriving in different niches possess distinct gene repertoires. We then managed to identify clusters of adjacent genes that display specific distribution patterns in the field (CAGs) and are thus potentially involved in the adaptation to particular environmental niches. Several CAGs are likely involved in the uptake or incorporation of complex organic forms of nutrients, such as guanidine, cyanate, cyanide, pyrimidine or phosphonates, which might be either directly used by cells, for e.g. the biosynthesis of proteins or DNA, or degraded into inorganic nitrogen and/or phosphorus forms. We also highlight the frequent presence of CAGs involved in polysaccharide capsule biosynthesis in Synechococcus populations thriving in both nitrogen- and phosphorus-depleted areas, which are absent in low-iron regions, suggesting that the complexes they encode may be too energy-consuming for picocyanobacteria thriving in these areas. In contrast, Prochlorococcus populations thriving in iron-depleted areas specifically possess an alternative respiratory terminal oxidase, potentially involved in the reduction of Fe(III) into Fe(II). Together, this study provides insights into how these key members of the phytoplankton community might behave in response to ongoing global change. Significance Statement Picocyanobacteria face various environmental conditions in the ocean and numerous studies have shown that genetically distinct ecotypes colonize different niches. Yet the functional basis of their adaptation remains poorly known, essentially due to the large number of genes of yet unknown function, many of which have little or no beneficial effect on fitness. Here, by combining comparative genomics and metagenomics approaches, we have identified not only single genes but also entire gene clusters, potentially involved in niche adaptation. Although being sometimes present in only one or a few sequenced strains, they occur in a large part of the population in specific ecological niches and thus constitute precious targets for elucidating the biochemical function of yet unknown niche-related genes.