Because ocean water is typically resource-poor, bacteria may gain significant growth advantages if they can exploit the ephemeral nutrient patches originating from numerous, small sources. Although this interaction has been proposed to enhance biogeochemical transformation rates in the ocean, it remains questionable whether bacteria are able to efficiently use patches before physical mechanisms dissipate them. Here we show that the rapid chemotactic response of the marine bacterium Pseudoalteromonas haloplanktis substantially enhances its ability to exploit nutrient patches before they dissipate. We investigated two types of patches important in the ocean: nutrient pulses and nutrient plumes, generated for example from lysed algae and sinking organic particles, respectively. We used microfluidic devices to create patches with environmentally realistic dimensions and dynamics. The accumulation of P. haloplanktis in response to a nutrient pulse led to formation of bacterial hot spots within tens of seconds, resulting in a 10-fold higher nutrient exposure for the fastest 20% of the population compared with nonmotile cells. Moreover, the chemotactic response of P. haloplanktis was >10 times faster than the classic chemotaxis model Escherichia coli, leading to twice the nutrient exposure. We demonstrate that such rapid response allows P. haloplanktis to colonize nutrient plumes for realistic particle sinking speeds, with up to a 4-fold nutrient exposure compared with nonmotile cells. These results suggest that chemotactic swimming strategies of marine bacteria in patchy nutrient seascapes exert strong influence on carbon turnover rates by triggering the formation of microscale hot spots of bacterial productivity.

Sulfur Signal Dinner Phytoplankton produces large amounts of the compound dimethylsulfoniopropionate (DMSP), which can be transformed into the gas dimethylsulfide and emitted into the atmosphere in sufficient quantities to affect cloud formation. The functional role of DMSP is somewhat unclear, but it is degraded by marine bacteria as a source of reduced carbon and sulfur. It also acts as a foraging cue for a variety of aquatic animals ranging from copepods to marine mammals. Now, Seymour et al. (p. 342 ) have developed a microfluidic device to observe the behavior of motile microorganisms in response to pulses of DMSP. Contrary to accepted thought, these compounds appear primarily to play a defensive role—for most motile organisms, they are strongly attractive and act as an important infochemical throughout the marine food web.

Abstract Bacterial evolution is influenced by the exchange of genetic information between species through a process referred to as recombination. The rate of recombination is a useful measure for the adaptive capacity of a bacterial population. We introduce Rhometa ( https://github.com/sid-krish/Rhometa ), a new software package to determine recombination rates from shotgun sequencing reads of metagenomes.It extends the composite likelihood approach for population recombination rate estimation and enables the analysis of modern short-read datasets. We evaluated Rhometa over a broad range of sequencing depths and complexities, using simulated and real experimental short-read data aligned to external reference genomes. In simulated datasets, the deviation from the expected value decreased as the number of genomes increased and we show that 80 genomes are sufficient to reduce these variations below 30%. Testing on an S. pneumoniae transformation experiment dataset we show that Rhometa accurately estimate the expected levels of recombination in a real world dataset.

Abstract Photosynthetic eukaryotes, such as microalgae and plants, foster fundamentally important relationships with their microbiome based on the reciprocal exchange of chemical currencies. Among these, the dicarboxylate metabolite azelaic acid (Aze) appears to play an important, but heterogeneous, role in modulating these microbiomes, as it is used as a carbon source for some heterotrophs but is toxic to others. However, the ability of Aze to promote or inhibit growth, as well as its uptake and assimilation mechanisms into bacterial cells are mostly unknown. Here, we use transcriptomics, transcriptional factor coexpression networks, uptake experiments, and metabolomics to unravel the uptake, catabolism and toxicity of Aze on two microalgal-associated bacteria, Phycobacter and Alteromonas , whose growth is promoted or inhibited by Aze, respectively. We identify the first putative Aze transporter in bacteria, a ‘C 4 -TRAP transporter’, and show that Aze is assimilated through fatty acid degradation, with further catabolism occurring through the glyoxylate and butanoate metabolism pathways when used as a carbon source. Phycobacter took up Aze at an initial uptake rate of 3.8×10 -9 nmol cell -1 hr -1 and utilized it as a carbon source in concentrations ranging from 10 μM -1 mM, suggesting a broad range of acclimation to Aze availability. For inhibited bacteria, we infer that Aze inhibits the ribosome and/or protein synthesis and that a suite of efflux pumps is utilized to shuttle Aze outside the cytoplasm. We demonstrate that seawater amended with Aze becomes enriched in bacterial families that can catabolise Aze, which appears to be a different mechanism from that in soil, where modulation by the host plant is required. This study enhances our understanding of carbon cycling in the oceans and how microscale chemical interactions can structure marine microbial populations. In addition, our findings unravel the role of a key chemical currency in the modulation of eukaryote-microbiome interactions across diverse ecosystems.

Abstract Bacterioplankton communities play major roles in governing marine productivity and biogeochemical cycling, yet what drives the relative influence of the types of deterministic ecological processes which result in diversity patterns remains unclear. Here we examine how differing deterministic processes (environmental factors and biotic interactions) drive temporal dynamics of bacterioplankton diversity at three different oceanographic time-series locations, spanning 15 degrees of latitude, which are each characterized by different environmental conditions and varying degrees of seasonality. Monthly surface samples, collected over a period of 5.5 years, were analyzed using 16S rRNA amplicon sequencing. The high and mid-latitude sites of Maria Island and Port Hacking were characterized by high and intermediate levels of environmental heterogeneity respectively, with both alpha (local) diversity (72 % and 24 % of total variation) and beta diversity (32 % and 30 %) patterns within bacterioplankton assemblages primarily explained by environmental determinants, including day length, ammonium, and mixed layer depth. In contrast, at North Stradbroke Island, a sub-tropical location where environmental conditions are less seasonally variable, interspecific interactions were of increased importance in structuring bacterioplankton diversity (alpha diversity: 33 %; beta diversity: 26 %) with environment only contributing 11 and 13 % to predicting diversity, respectively. Our results demonstrate that bacterioplankton diversity is the result of both deterministic environmental and biotic processes and that the importance of these different deterministic processes varies, potential in response to environmental heterogeneity. Importance Marine bacterioplankton drives important biological processes, including the cycling of key nutrients or fixing atmospheric carbon. Therefore, to predict future climate scenarios its critical to model these communities accurately. Processes that drive bacterioplankton diversity patterns in the oceans however remain unresolved, with most studies focusing on deterministic environmental drivers, ie temperature or available inorganic nutrients. Biotic deterministic processes including interactions among individuals are also important for structuring diversity patterns, however, this is rarely included to predict bacterioplankton communities. We develop an approach for determining the relative contribution of environmental and potential biotic interactions that structure marine bacterioplankton at three series at different latitudes. Environmental factors best predicted temporal trends in bacterioplankton diversity at the two high latitude time series, while biotic influence was most apparent at the low latitude time series. Our results suggest environmental heterogeneity is an important attribute driving the contribution of varying deterministic influence of bacterioplankton diversity.

Abstract A universal scaling relationship exists between organism abundance and body size 1,2 . Within ocean habitats this relationship deviates from that generally observed in terrestrial systems 2–4 , where marine macro-fauna display steeper size-abundance scaling than expected. This is indicative of a fundamental shift in food-web organization, yet a conclusive mechanism for this pattern has remained elusive. We demonstrate that while fishing has partially contributed to the reduced abundance of larger organisms, a larger effect comes from ocean turbulence: the energetic cost of movement within a turbulent environment induces additional biomass losses among the nekton. These results identify turbulence as a novel mechanism governing the marine size-abundance distribution, highlighting the complex interplay of biophysical forces that must be considered alongside anthropogenic impacts in processes governing marine ecosystems.