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.

Marine plankton support global biological and geochemical processes. Surveys of their biodiversity have hitherto been geographically restricted and have not accounted for the full range of plankton size. We assessed eukaryotic diversity from 334 size-fractionated photic-zone plankton communities collected across tropical and temperate oceans during the circumglobal Tara Oceans expedition. We analyzed 18S ribosomal DNA sequences across the intermediate plankton-size spectrum from the smallest unicellular eukaryotes (protists, >0.8 micrometers) to small animals of a few millimeters. Eukaryotic ribosomal diversity saturated at ~150,000 operational taxonomic units, about one-third of which could not be assigned to known eukaryotic groups. Diversity emerged at all taxonomic levels, both within the groups comprising the ~11,200 cataloged morphospecies of eukaryotic plankton and among twice as many other deep-branching lineages of unappreciated importance in plankton ecology studies. Most eukaryotic plankton biodiversity belonged to heterotrophic protistan groups, particularly those known to be parasites or symbiotic hosts.

The microbial consortium involved in anaerobic digestion has not yet been precisely characterized and this process remains a 'black box' with limited efficiency. In this study, seven anaerobic sludge digesters were selected based on technology, type of sludge, process and water quality. The prokaryotic community of these digesters was examined by constructing and analysing a total of 9890 16S rRNA gene clones. Libraries were constructed using primers specific for the Bacteria and Archaea domains for each digester, respectively. After phylogenetic affiliation, the libraries were compared using statistical tools to determine the similarities or differences among the seven digesters. Results show that the prokaryotic community of an anaerobic digester is composed of phylotypes commonly found in all anaerobic digesters sampled and also of specific phylotypes. The Archaea community is represented by an equilibrium among a restricted number of operational taxonomic units (OTUs). These OTUs are affiliated with Methanosarcinales, Methanomicrobiales and Arc I phylogenetic groups. Statistical analysis revealed that the Bacteria community can be described as a three component model: one-third making up a core group of phylotypes common to most of the digesters, one-third are phylotypes shared among a few digesters and another one-third are specific phylotypes. The core group is composed of only six OTUs affiliated with Chloroflexi, Betaproteobacteria, Bacteroidetes and Synergistetes. Its role in anaerobic degradation appears critical to investigate. This comparison of anaerobic digester populations is a first step towards a future understanding of the relationship among biodiversity, operating conditions and digester efficiency.

The biological carbon pump is the process by which CO2 is transformed to organic carbon via photosynthesis, exported through sinking particles, and finally sequestered in the deep ocean. While the intensity of the pump correlates with plankton community composition, the underlying ecosystem structure driving the process remains largely uncharacterized. Here we use environmental and metagenomic data gathered during the Tara Oceans expedition to improve our understanding of carbon export in the oligotrophic ocean. We show that specific plankton communities, from the surface and deep chlorophyll maximum, correlate with carbon export at 150 m and highlight unexpected taxa such as Radiolaria and alveolate parasites, as well as Synechococcus and their phages, as lineages most strongly associated with carbon export in the subtropical, nutrient-depleted, oligotrophic ocean. Additionally, we show that the relative abundance of a few bacterial and viral genes can predict a significant fraction of the variability in carbon export in these regions.

In the last few years there have been rapid advances in developing genetic maps for humans, greatly enhancing our ability to localize and identify genes for inherited disorders. Through the collaborative efforts of three large groups generating microsatellite markers and the efforts of the 110 CEPH collaborators, a comprehensive human linkage map is presented here. It consists of 5840 loci, of which 970 are uniquely ordered, covering 4000 centimorgans on the sex-averaged map. Of these loci, 3617 are polymerase chain reaction-formatted short tandem repeat polymorphisms, and another 427 are genes. The map has markers at an average density of 0.7 centimorgan, providing a resource for ready transference to physical maps and achieving one of the first goals of the Human Genome Project—a comprehensive, high-density genetic map.

Prochlorococcus marinus , the dominant photosynthetic organism in the ocean, is found in two main ecological forms: high-light-adapted genotypes in the upper part of the water column and low-light-adapted genotypes at the bottom of the illuminated layer. P. marinus SS120, the complete genome sequence reported here, is an extremely low-light-adapted form. The genome of P. marinus SS120 is composed of a single circular chromosome of 1,751,080 bp with an average G+C content of 36.4%. It contains 1,884 predicted protein-coding genes with an average size of 825 bp, a single rRNA operon, and 40 tRNA genes. Together with the 1.66-Mbp genome of P. marinus MED4, the genome of P. marinus SS120 is one of the two smallest genomes of a photosynthetic organism known to date. It lacks many genes that are involved in photosynthesis, DNA repair, solute uptake, intermediary metabolism, motility, phototaxis, and other functions that are conserved among other cyanobacteria. Systems of signal transduction and environmental stress response show a particularly drastic reduction in the number of components, even taking into account the small size of the SS120 genome. In contrast, housekeeping genes, which encode enzymes of amino acid, nucleotide, cofactor, and cell wall biosynthesis, are all present. Because of its remarkable compactness, the genome of P. marinus SS120 might approximate the minimal gene complement of a photosynthetic organism.