ABSTRACT Bacterial community composition, enzymatic activities, and carbon dynamics were examined during diatom blooms in four 200-liter laboratory seawater mesocosms. The objective was to determine whether the dramatic shifts in growth rates and ectoenzyme activities, which are commonly observed during the course of phytoplankton blooms and their subsequent demise, could result from shifts in bacterial community composition. Nutrient enrichment of metazoan-free seawater resulted in diatom blooms dominated by a Thalassiosira sp., which peaked 9 days after enrichment (≈24 μg of chlorophyll a liter −1 ). At this time bacterial abundance abruptly decreased from 2.8 × 10 6 to 0.75 × 10 6 ml −1 , and an analysis of bacterial community composition, by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) of PCR-amplified 16S rRNA gene fragments, revealed the disappearance of three dominant phylotypes. Increased viral and flagellate abundances suggested that both lysis and grazing could have played a role in the observed phylotype-specific mortality. Subsequently, new phylotypes appeared and bacterial production, abundance, and enzyme activities shifted from being predominantly associated with the <1.0-μm size fraction towards the >1.0-μm size fraction, indicating a pronounced microbial colonization of particles. Sequencing of DGGE bands suggested that the observed rapid and extensive colonization of particulate matter was mainly by specialized α- Proteobacteria - and Cytophagales -related phylotypes. These particle-associated bacteria had high growth rates as well as high cell-specific aminopeptidase, β-glucosidase, and lipase activities. Rate measurements as well as bacterial population dynamics were almost identical among the mesocosms indicating that the observed bacterial community dynamics were systematic and repeatable responses to the manipulated conditions.

This paper presents standards and best practices for reporting genome sequences of uncultivated viruses. We present an extension of the Minimum Information about any (x) Sequence (MIxS) standard for reporting sequences of uncultivated virus genomes. Minimum Information about an Uncultivated Virus Genome (MIUViG) standards were developed within the Genomic Standards Consortium framework and include virus origin, genome quality, genome annotation, taxonomic classification, biogeographic distribution and in silico host prediction. Community-wide adoption of MIUViG standards, which complement the Minimum Information about a Single Amplified Genome (MISAG) and Metagenome-Assembled Genome (MIMAG) standards for uncultivated bacteria and archaea, will improve the reporting of uncultivated virus genomes in public databases. In turn, this should enable more robust comparative studies and a systematic exploration of the global virosphere.

Abstract A large fraction of marine primary production is performed by diverse small protists, and many of these phytoplankton are mixotrophs that also consume bacterial prey. However, the mechanisms structuring this diversity and its biogeochemical consequences remain poorly understood. Here we use isolates from seven major taxa to demonstrate tradeoffs between phototrophic and phagotrophic abilities. We then show that trophic strategy along the autotrophy-mixotrophy spectrum correlates strongly with global niche differences, across depths and across gradients of stratification and chlorophyll a . A model of competition shows that community shifts can be explained by greater fitness of faster-grazing mixotrophs when nutrients are scarce and light is plentiful. Our results illustrate how basic physiological constraints and principles of resource competition can organize complexity in the surface ocean ecosystem.

Abstract Small eukaryotic phytoplankton are major contributors to global primary production and marine biogeochemical cycles. Many taxa are thought to be mixotrophic, but quantitative studies of phagotrophy exist for very few. In addition, little is known about consumers of Prochlorococcus , the abundant cyanobacterium at the base of oligotrophic ocean food webs. Here we describe thirty-nine new phytoplankton isolates from the North Pacific Subtropical Gyre (Station ALOHA), all flagellates ∼2–5 um diameter, and we quantify their ability to graze Prochlorococcus . The mixotrophs are from diverse classes (dictyochophytes, haptophytes, chrysophytes, bolidophytes, a dinoflagellate, and a chlorarachniophyte), many from previously uncultured clades. Grazing ability varied substantially, with specific clearance rate (volume cleared per body volume) varying over ten-fold across isolates and six-fold across genera. Slower grazers tend to create more biovolume per prey biovolume consumed. Using qPCR we found that the haptophyte Chrysochromulina was most abundant among the isolated mixotrophs at Station ALOHA, with 76–250 cells mL -1 across depths in the upper euphotic zone. Our results show that within a single ecosystem the phototrophs that ingest bacteria come from many branches of the eukaryotic tree, and are functionally diverse, indicating a broad range of strategies along the spectrum from phototrophy to phagotrophy.

In oligotrophic oceans, the smallest eukaryotic phytoplankton are both significant primary producers and predators of abundant bacteria such as Prochlorococcus. However, the drivers and consequences of community dynamics among these diverse protists are not well understood. Here, we investigated how trophic strategies along the autotrophy-mixotrophy spectrum vary in importance over time and across depths at Station ALOHA in the North Pacific Subtropical Gyre. We combined picoeukaryote community composition from a 28-month time-series with traits of diverse phytoplankton isolates from the same location, to examine trophic strategies across 13 operational taxonomic units and 8 taxonomic classes. We found that autotrophs and slower-grazing mixotrophs tended to prevail deeper in the photic zone, while the most voracious mixotrophs were relatively abundant near the surface. Within the mixed layer, there was greater phagotrophy when conditions were most stratified and when Chl a concentrations were lowest, although the greatest temporal variation in trophic strategy occurred at intermediate depths (45-100 m). Dynamics at this site are consistent with previously described spatial patterns of trophic strategies. The success of relatively phagotrophic phytoplankton at shallower depths in the most stratified waters suggests that phagotrophy is a competitive strategy for acquiring nutrients when energy from light is plentiful.

Viruses span an impressive size range, with genome length varying more than a thousandfold and capsid volume nearly a millionfold. Physical constraints suggest that smaller viruses may have multiple fitness advantages, because a greater number of viral offspring can be created from limited host resources, and because smaller particles diffuse to encounter new hosts more rapidly. At the same time, a larger genome size allows for numerous additional functions that may increase fitness, such as better control of replication, transcription, translation, and host metabolism, and neutralization of host defenses. However, it is unclear whether important viral traits correlate with size, and whether this causes size to vary among host types or environmental contexts. Here we focus on viruses of aquatic unicellular organisms, which exhibit the greatest known range of virus size. We develop and synthesize theory, and analyze data where available, to consider how size affects the primary components of viral fitness. We suggest that the costs of larger size (lower burst size and diffusivity) are mitigated by the role of a larger genome in increasing infection efficiency, broadening host range, and potentially increasing attachment success and decreasing decay rate. These countervailing selective pressures may explain why such a breadth of sizes exist and can even coexist when infecting the same host populations. We argue that oligotrophic environments may be particularly enriched in unusually large or “giant” viruses, because environments with diverse, resource-limited phagotrophic eukaryotes at persistently low concentrations may select for broader host range, better control of host metabolism, lower decay rate, and a physical size that mimics bacterial prey. Finally, we describe areas where further research is needed to understand the ecology and evolution of viral size diversity.

The complete genome sequence of the Oceanusvirus kaneohense strain (Tetraselmis virus 1; TetV-1) was previously reported, but little is known about the virus infection cycle. Using a permissive Tetraselmis isolate (UHM1315), we estimated the eclipse period (4-8 hours), latent period (16 hrs), and burst size (800-1000) of the virus and documented ultrastructural and transcriptional changes in the host during infection. Putative viral factories and electron-dense inclusion bodies appeared in the cytoplasm of infected cells by 8 and 16 h post-infection, respectively. The nucleus and chloroplasts appeared to remain intact but reduced in size after 8 h. Transcriptome sequencing suggests that the viral genome codes for 830 transcripts. Those expressed early in infection (eclipse period at 0.25 and 4 hr) were related to the initiation of transcription, DNA synthesis, translation, and host immune repression. During the later, post-eclipse period (8, 12, 16 hr), virus structural genes were expressed. For the algal host, transcripts related to lipid metabolism and endocytosis were upregulated during the early phase, while those for protein modification/turnover/transport were downregulated. In the later period, host transcripts associated with basic cellular processes were upregulated, while genes related to morphogenesis/development were downregulated. Many of the most highly expressed virus and host genes were of unknown function, highlighting a need for additional functional studies.

Viruses are integral to ecological and evolutionary processes, but we have a poor understanding of what drives variation in key traits across diverse viruses. For lytic viruses, burst size, latent period, and genome size are primary characteristics controlling host-virus dynamics. Burst size and latent period are analogous to organismal traits of fecundity and generation time, and genome size affects the size of the virion as well as viral control of host metabolism. Here we synthesize data on these traits for 75 strains of phytoplankton viruses, which play an important role in global biogeochemistry. We find that primary traits of the host (genome size, growth rate) are major ecological drivers, explaining 40-50% of variation in burst size and latent period. We analyze an eco-evolutionary model to explore mechanisms underlying these patterns. We find that burst size may be set by the host genomic resources available for viral construction, while latent period evolves to permit this maximal burst size, modulated by host metabolic rate. These results suggest that general mechanisms may underlie the evolution of diverse viruses, which will facilitate our understanding of viral community processes, ecosystem impacts, and coevolutionary dynamics.

ABSTRACT To better understand the controls on the opportunistic human pathogen Vibrio vulnificus in warm tropical waters, we conducted a year-long investigation in the Ala Wai Canal, a channelized estuary in Honolulu, HI. The abundance of V. vulnificus as determined by qPCR of the hemolysin gene ( vvhA ), varied spatially and temporally nearly four orders of magnitude (≤ 3 to 14,000 mL -1 ). Unlike in temperate and subtropical systems, temperatures were persistently warm (19–31°C) and explained little of the variability in V. vulnificus abundance. Salinity (1–36 ppt) had a significant, but non-linear, relationship with V. vulnificus abundance with highest vvhA concentrations (> 2,500 mL -1 ) observed only at salinities from 7 to 22 ppt. V. vulnificus abundances were lower on average in the summer dry season when waters were warmer but more saline. Highest canal-wide average abundances were observed during a time of modest rainfall when moderate salinities and elevated concentrations of reduced nitrogen species and silica suggested a groundwater influence. Distinguishing the abundances of two genotypes of V. vulnificus (C-type and E-type) suggest that C-type strains, which are responsible for most human infections, were usually less abundant (25% on average), but their relative contribution was greater at higher salinities, suggesting a broader salinity tolerance. Generalized regression models suggested up to 67% of sample-to-sample variation in log-transformed V. vulnificus abundance was explained (n = 202) using the measured environmental variables, and up to 97% of the monthly variation in canal-wide average concentrations (n = 13) was explained with the best subset of four variables. IMPORTANCE Our data illustrate that, in the absence of strong seasonal variation in water temperature in the tropics, variation in salinity driven by rainfall becomes a primary controlling variable on V. vulnificus abundance. There is thus a tendency for a rainfall-driven seasonal cycle in V. vulnificus abundance that is inverted from the temperature-driven seasonal cycle at higher latitudes. However, stochasticity in rainfall and its non-linear, indirect effects on V. vulnificus concentration means that high abundances can occur at any location in the canal at any time of year, making it challenging to predict concentrations of this pathogen at high temporal or spatial resolution. Much of the variability in canal-wide average concentrations, on the other hand, was explained by a few variables that reflect the magnitude of freshwater input to the system, suggesting that relative risk of exposure to this pathogen could be predicted for the system as a whole.