Abstract Diatoms are a diverse and globally important phytoplankton group, responsible for an estimated 20% of carbon fixation on Earth. They frequently form spatially extensive phytoplankton blooms, responding rapidly to increased availability of nutrients including phosphorus and nitrogen. Although it is well established that diatoms are common first-responders to nutrient influxes in aquatic ecosystems, little is known of the sensory mechanisms that they employ for nutrient perception. Here we show that diatoms use a novel and highly-sensitive Ca 2+ -dependent signalling pathway, not previously described in eukaryotes, to sense and respond to the critical macronutrient phosphorus. We demonstrate that phosphorus-Ca 2+ signalling is essential for regulating diatom recovery from phosphorus limitation, by controlling rapid and substantial increases in nitrogen assimilation. Phosphorus-Ca 2+ signalling thus mediates fundamental cross-talk between the vital nutrients P and N to maximise resource competition, and likely governs the success of diatoms as major bloom formers in regions of pulsed nutrient supply. Importantly, our study demonstrates that distinct mechanisms for nutrient sensing have evolved in photosynthetic eukaryotes.

ABSTRACT How oligotrophic marine cyanobacteria position themselves in the water column is currently unknown. The current paradigm is that these organisms avoid sinking due to their reduced size and passive drift within currents. Here, we show that one in four picocyanobacteria encode a type IV pilus which allows these organisms to increase drag and remain suspended at optimal positions in the water column, as well as evade predation by grazers. The evolution of this sophisticated floatation mechanism in these purely planktonic streamlined microorganisms has profound implications for our current understanding of microbial distribution in the oceans, predator-prey interactions and, ultimately, will influence future models of carbon flux dynamics in the oceans.

Abstract Bacteria from the Actinomycete family are a remarkable source of natural products with pharmaceutical potential. The discovery of novel molecules from these organisms is, however, hindered because most of the biosynthetic gene clusters (BGCs) encoding these secondary metabolites are cryptic or silent and are referred to as orphan BGCs. While co-culture has proven to be a promising approach to unlock the biosynthetic potential of many microorganisms by activating the expression of these orphan BGCs, it still remains an underexplored technique. The marine actinobacteria Salinispora tropica , for instance, produces valuable compounds such as the anti-cancer molecule salinosporamide A but half of its putative BGCs are still orphan. Although previous studies have looked into using marine heterotrophs to induce orphan BGCs in Salinispora , the potential impact of co-culturing marine phototrophs with Salinispora has yet to be investigated. Following the observation of clear antimicrobial phenotype of the actinobacterium on a range of phytoplanktonic organisms, we here report the discovery of novel cryptic secondary metabolites produced by S. tropica in response to its co-culture with photosynthetic primary producers. An approach combining metabolomics and proteomics revealed that the photosynthate released by phytoplankton influences the biosynthetic capacities of S. tropica with both production of new molecules and the activation of orphan BGCs. Our work pioneers the use of phototrophs as a promising strategy to accelerate the discovery of novel natural products from actinobacteria. Importance The alarming increase of antimicrobial resistance has generated an enormous interest in the discovery of novel active compounds. The isolation of new microbes to untap novel natural products is currently hampered because most biosynthetic gene clusters (BGC) encoded by these microorganisms are not expressed under standard laboratory conditions, i.e. mono-cultures. Here we show that co-culturing can be an easy way for triggering silent BGC. By combining state-of-the-art metabolomics and high-throughput proteomics, we characterized the activation of cryptic metabolites and silent biosynthetic gene clusters in the marine actinobacteria Salinispora tropica by the presence of phytoplankton photosynthate. We further suggest a mechanistic understanding of the antimicrobial effect this actinobacterium has on a broad range of prokaryotic and eukaryotic phytoplankton species and reveal a promising candidate for antibiotic production.

Bacteriophages infecting Escherichia coli have been used as a proxy for faecal matter and water quality from a variety of environments. However, the diversity of coliphages that are present in seawater remains largely unknown, with previous studies largely focusing on morphological diversity. Here, we isolated and characterised coliphages from three coastal locations in the UK and Poland. This revealed a surprising genetic diversity, with comparative genomics and phylogenetic analysis of phage isolates facilitating the identification of putative new species within the genera RB69virus and T5virus and a putative new genus within the subfamily Tunavirinae. Furthermore, by combining this genomic data with proteomic and host range analyses a number of phage structural proteins were identified, one of which is likely to be responsible for the observed differences in host range.

Abstract Marine roseobacter group bacteria are numerically abundant and ecologically important players in ocean ecosystems. These bacteria are capable of modifying their membrane lipid composition in response to environmental change. Remarkably, a variety of lipids are produced in these bacteria, including phosphorus-containing glycerophospholipids and several amino acid-containing aminolipids such as ornithine lipids and glutamine lipids. Here, we present the identification and characterization of a novel s ulfur-containing a mino l ipid (SAL) in roseobacters. Using high resolution accurate mass spectrometry, a SAL was found in the lipid extract of Ruegeria pomeroyi DSS-3 and Phaeobacter inhibens DSM 17395. Using comparative genomics, transposon mutagenesis and targeted gene knockout, we identified a gene encoding a putative lyso-lipid acyltransferase, designated SalA , which is essential for the biosynthesis of this SAL. Multiple sequence analysis and structural modelling suggest that SalA is a novel member of the lysophosphatidic acid acyltransferase (LPAAT) family, the prototype of which is the PlsC acyltransferase responsible for the biosynthesis of the phospholipid phosphatidic acid. SAL appears to play a key role in biofilm formation in roseobacters. SalA is widely distributed in Tara Oceans metagenomes and actively expressed in Tara Oceans metatranscriptomes. Our results raise the importance of sulfur-containing membrane aminolipids in marine bacteria.

Abstract The regeneration of bioavailable phosphate from immobilised organophosphorus represents a key process in the global phosphorus cycle and is facilitated by enzymes known as phosphatases. Most bacteria possess at least one of three major phosphatases, known as PhoA, PhoX and PhoD, whose activity is optimal under alkaline conditions. The production and activity of these three phosphatase families is negatively regulated by phosphate availability and thus these enzymes play a major role in scavenging phosphorus only during times of phosphate scarcity. Here, we reveal a previously overlooked phosphate-insensitive phosphatase, PafA, prevalent in Bacteroidetes , which is highly abundant in nature and represents a major route for the remineralisation of phosphate in the environment. Using Flavobacterium johnsoniae as the model, we reveal PafA is highly active towards phosphomonoesters. Unlike other major phosphatases, PafA is fully functional in the presence of its metabolic product, phosphate, and is essential for growth on phosphorylated carbohydrates as a sole carbon source. PafA, which is constitutively produced under all growth conditions tested, rapidly remineralises phosphomonoesters producing significant quantities of bioavailable phosphate that can cross feed into neighbouring cells. pafA is both abundant and highly expressed in the global ocean and abundant in plant rhizospheres, highlighting a new and important enzyme in the global phosphorus cycle with applied implications for agriculture as well as biogeochemical cycling. We speculate PafA expands the metabolic niche of Bacteroidetes by enabling utilisation of abundant organophosphorus substrates in the presence of excess phosphate, when other microbes are rendered incapable. Significance statement Phosphorus is an essential element for all life on Earth. Global primary production, and thus the ability for oceans and soils to drawdown atmospheric carbon dioxide, is in part controlled by the availability of inorganic phosphate. Likewise, global food production is also reliant on adequate supplies of phosphorus to both plants and animals. A major fraction of the total phosphorus pool exists as organic phosphorus, which requires mineralisation to phosphate prior to incorporation into cellular biomolecules. This important process is performed by enzymes known as phosphatases. Here, we reveal that the unique bacterial phosphatase, PafA, is a key player in the global phosphorus cycle and presents a major route for the regeneration of bioavailable phosphate required for both primary and secondary production.