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.

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.

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.

Abstract Nucleo-cytoplasmic large DNA viruses (NCLDVs) constitute a group of eukaryotic viruses that can have crucial ecological roles in the sea by accelerating the turnover of their unicellular hosts or by causing diseases in animals. To better characterize the diversity, abundance and biogeography of marine NCLDVs, we analyzed 17 metagenomes derived from microbial samples (0.2–1.6 μm size range) collected during the Tara Oceans Expedition. The sample set includes ecosystems under-represented in previous studies, such as the Arabian Sea oxygen minimum zone (OMZ) and Indian Ocean lagoons. By combining computationally derived relative abundance and direct prokaryote cell counts, the abundance of NCLDVs was found to be in the order of 104–105 genomes ml−1 for the samples from the photic zone and 102–103 genomes ml−1 for the OMZ. The Megaviridae and Phycodnaviridae dominated the NCLDV populations in the metagenomes, although most of the reads classified in these families showed large divergence from known viral genomes. Our taxon co-occurrence analysis revealed a potential association between viruses of the Megaviridae family and eukaryotes related to oomycetes. In support of this predicted association, we identified six cases of lateral gene transfer between Megaviridae and oomycetes. Our results suggest that marine NCLDVs probably outnumber eukaryotic organisms in the photic layer (per given water mass) and that metagenomic sequence analyses promise to shed new light on the biodiversity of marine viruses and their interactions with potential hosts.

Marine environmental monitoring has tended to focus on site-specific methods of investigation. These traditional methods have low spatial and temporal resolution and are relatively labour intensive per unit area/time that they cover. To implement the Marine Strategy Framework Directive (MSFD), European Member States are required to improve marine monitoring and design monitoring networks. This can be achieved by developing and testing innovative and cost-effective monitoring systems, as well as indicators of environmental status. Here, we present several recently developed methodologies and technologies to improve marine biodiversity indicators and monitoring methods. The innovative tools are discussed concerning the technologies presently utilized as well as the advantages and disadvantages of their use in routine monitoring. In particular, the present analysis focuses on: (i) molecular approaches, including microarray, Real Time quantitative PCR (qPCR), and metagenetic (metabarcoding) tools; (ii) optical (remote) sensing and acoustic methods; and (iii) in situ monitoring instruments. We also discuss their applications in marine monitoring within the MSFD through the analysis of case studies in order to evaluate their potential utilization in future routine marine monitoring. We show that these recently-developed technologies can present clear advantages in accuracy, efficiency and cost.

ABSTRACT Background Ocean microbes constitute ∼70% of the marine biomass, are responsible for ∼50% of the Earth’s primary production, and are crucial for global biogeochemical cycles. Marine microbiotas include core taxa that are usually key for ecosystem function. Despite their importance, core marine microbes are relatively unknown, which reflects the lack of consensus on how to identify them. So far, most core microbiotas have been defined based on species occurrence and abundance. Yet, species interactions are also important to identify core microbes, as communities include interacting species. Here, we investigate interconnected bacteria and small protists of the core pelagic microbiota populating a long-term marine-coastal observatory in the Mediterranean Sea over a decade. Results Core microbes were defined as those present in >30% of the monthly samples over 10 years, with the strongest associations. The core microbiota included 259 Operational Taxonomic Units (OTUs) including 182 bacteria, 77 protists, and 1,411 strong and mostly positive (∼95%) associations. Core bacteria tended to be associated with other bacteria, while core protists tended to be associated with bacteria. The richness and abundance of core OTUs varied annually, decreasing in stratified warmers waters and increasing in colder mixed waters. Most core OTUs had a preference for one season, mostly winter, which featured subnetworks with the highest connectivity. Groups of highly associated taxa tended to include protists and bacteria with predominance in the same season, particularly winter. A group of 13 highly-connected hub-OTUs, with potentially important ecological roles dominated in winter and spring. Similarly, 18 connector OTUs with a low degree but high centrality were mostly associated with summer or autumn and may represent transitions between seasonal communities. Conclusions We found a relatively small and dynamic interconnected core microbiota in a model temperate marine-coastal site, with potential interactions being more deterministic in winter than in other seasons. These core microbes would be essential for the functioning of this ecosystem over the year. Other non-core taxa may also carry out important functions but would be redundant and non-essential. Our work contributes to the understanding of the dynamics and potential interactions of core microbes possibly sustaining ocean ecosystem function.

Abstract Bacteria are highly dynamic in marine environments, where they play key biogeochemical roles. Here, we tested how similar the niche of closely related marine bacteria is and what are the environmental parameters modulating their ecological responses in a coastal oligotrophic time series. We further explored how conserved the niche is at broader taxonomic levels. We found that, for certain genera, niche similarity decreases as nucleotide divergence increases between closely related amplicon sequence variants, a pattern compatible with selection of similar taxa through habitat filtering. Additionally, we observed evidence of niche partitioning within various genera shown by the distinct seasonal patterns of closely related taxa. At broader levels, we did not observe coherent seasonal trends at the class level, with the order and family ranks conditioned to the patterns that exist at the genus level. This study explores the coexistence of niche overlap and niche partitioning in a coastal marine environment.

Abstract Marine microbial communities differ genetically, metabolically, and ecologically according to their lifestyle, and they may respond differently to environmental changes. In this study, we investigated the seasonal dynamics of bacterial assemblies in the free‐living (FL) and particle‐associated (PA) fractions across a span of 6 years in the Blanes Bay Microbial Observatory in the Northwestern Mediterranean. Both lifestyles showed marked seasonality. The trends in alpha diversity were similar, with lower values in spring–summer than in autumn‐winter. Samples from both fractions were grouped seasonally and the percentage of community variability explained by the measured environmental variables was comparable (32% in FL and 31% in PA). Canonical analyses showed that biotic interactions were determinants of bacterioplankton dynamics and that their relevance varies depending on lifestyles. Time‐decay curves confirmed a high degree of predictability in both fractions. Yet, ‘seasonal’ Amplicon Sequence Variants (ASVs) (as defined by Lomb Scargle time series analysis) in the PA communities represented 46% of the total relative abundance while these accounted for 30% in the FL fraction. These results demonstrate that bacteria inhabiting both fractions exhibit marked seasonality, highlighting the importance of accounting for both lifestyles to fully comprehend the dynamics of marine prokaryotic communities.

Aerobic anoxygenic phototrophic (AAP) bacteria play a relevant role in the marine microbial food web, but little is known about their long-term seasonal dynamics. Using Illumina amplicon sequencing of the pufM gene coupled with multivariate, time series and co-occurrence analyses we examined their temporal dynamics over a decade at the Blanes Bay Microbial Observatory (NW Mediterranean). Phylogroup K (Gammaproteobacteria) was the most abundant over all seasons, with phylogroups E and G (Alphaproteobacteria) being often abundant in spring. A clear seasonal trend was observed in diversity, with maximum values in winter. Multivariate analyses showed sample clustering by season, with a relevant proportion of the variance (38%) explained by day length, temperature, salinity, phototrophic nanoflagellate abundance and phosphate concentration. Time series analysis showed that only 42% of the Amplicon Sequence Variants (ASVs) analyzed presented marked seasonality but these represented most of the abundance (92%). Interestingly, distinct temporal dynamics were observed within the same phylogroup and even within different ASVs conforming the same Operational Taxonomic Unit (OTU). Likewise, co-occurrence analysis highlighted negative associations between various ASVs within the same phylogroup. Altogether our results picture the AAP assemblage as highly seasonal, containing ecotypes with distinctive niche partitioning rather than being a cohesive functional group.

Determining predictability in community turnover is a key ecological question. In the microbial world, seasonality has been reported for communities inhabiting temperate zones, but not much is known on seasonality for individual species. Specifically, we have a vague understanding on the amount of species displaying predictability during temporal community turnover as well as on their dynamics. Here we developed a 'Recurrence Index' to quantify predictability in microbial species. Applying our index to 18S rDNA metabarcoding data from one of the longest temporal observatories of marine plankton we determined that 13% of the picoeukaryotic and 19% of the nanoeukaryotic species, accounting for about 40% of the community abundance in both fractions, feature predictable dynamics when sampled monthly during 10 years. Thus, most of the species analysed had unpredictable temporal abundance patterns. Altogether, we show that species with both predictable and unpredictable temporal dynamics can occur within the same seasonal microbial community.