The world's oceans contain a complex mixture of micro-organisms that are for the most part, uncharacterized both genetically and biochemically. We report here a metagenomic study of the marine planktonic microbiota in which surface (mostly marine) water samples were analyzed as part of the Sorcerer II Global Ocean Sampling expedition. These samples, collected across a several-thousand km transect from the North Atlantic through the Panama Canal and ending in the South Pacific yielded an extensive dataset consisting of 7.7 million sequencing reads (6.3 billion bp). Though a few major microbial clades dominate the planktonic marine niche, the dataset contains great diversity with 85% of the assembled sequence and 57% of the unassembled data being unique at a 98% sequence identity cutoff. Using the metadata associated with each sample and sequencing library, we developed new comparative genomic and assembly methods. One comparative genomic method, termed "fragment recruitment," addressed questions of genome structure, evolution, and taxonomic or phylogenetic diversity, as well as the biochemical diversity of genes and gene families. A second method, termed "extreme assembly," made possible the assembly and reconstruction of large segments of abundant but clearly nonclonal organisms. Within all abundant populations analyzed, we found extensive intra-ribotype diversity in several forms: (1) extensive sequence variation within orthologous regions throughout a given genome; despite coverage of individual ribotypes approaching 500-fold, most individual sequencing reads are unique; (2) numerous changes in gene content some with direct adaptive implications; and (3) hypervariable genomic islands that are too variable to assemble. The intra-ribotype diversity is organized into genetically isolated populations that have overlapping but independent distributions, implying distinct environmental preference. We present novel methods for measuring the genomic similarity between metagenomic samples and show how they may be grouped into several community types. Specific functional adaptations can be identified both within individual ribotypes and across the entire community, including proteorhodopsin spectral tuning and the presence or absence of the phosphate-binding gene PstS.

Viruses are the most abundant biological entities on our planet. Interactions between viruses and their hosts impact several important biological processes in the world's oceans such as horizontal gene transfer, microbial diversity and biogeochemical cycling. Interrogation of microbial metagenomic sequence data collected as part of the Sorcerer II Global Ocean Expedition (GOS) revealed a high abundance of viral sequences, representing approximately 3% of the total predicted proteins. Cluster analyses of the viral sequences revealed hundreds to thousands of viral genes encoding various metabolic and cellular functions. Quantitative analyses of viral genes of host origin performed on the viral fraction of aquatic samples confirmed the viral nature of these sequences and suggested that significant portions of aquatic viral communities behave as reservoirs of such genetic material. Distributional and phylogenetic analyses of these host-derived viral sequences also suggested that viral acquisition of environmentally relevant genes of host origin is a more abundant and widespread phenomenon than previously appreciated. The predominant viral sequences identified within microbial fractions originated from tailed bacteriophages and exhibited varying global distributions according to viral family. Recruitment of GOS viral sequence fragments against 27 complete aquatic viral genomes revealed that only one reference bacteriophage genome was highly abundant and was closely related, but not identical, to the cyanomyovirus P-SSM4. The co-distribution across all sampling sites of P-SSM4-like sequences with the dominant ecotype of its host, Prochlorococcus supports the classification of the viral sequences as P-SSM4-like and suggests that this virus may influence the abundance, distribution and diversity of one of the most dominant components of picophytoplankton in oligotrophic oceans. In summary, the abundance and broad geographical distribution of viral sequences within microbial fractions, the prevalence of genes among viral sequences that encode microbial physiological function and their distinct phylogenetic distribution lend strong support to the notion that viral-mediated gene acquisition is a common and ongoing mechanism for generating microbial diversity in the marine environment.

The understanding of marine microbial ecology and metabolism has been hampered by the paucity of sequenced reference genomes. To this end, we report the sequencing of 137 diverse marine isolates collected from around the world. We analysed these sequences, along with previously published marine prokaryotic genomes, in the context of marine metagenomic data, to gain insights into the ecology of the surface ocean prokaryotic picoplankton (0.1-3.0 μm size range). The results suggest that the sequenced genomes define two microbial groups: one composed of only a few taxa that are nearly always abundant in picoplanktonic communities, and the other consisting of many microbial taxa that are rarely abundant. The genomic content of the second group suggests that these microbes are capable of slow growth and survival in energy-limited environments, and rapid growth in energy-rich environments. By contrast, the abundant and cosmopolitan picoplanktonic prokaryotes for which there is genomic representation have smaller genomes, are probably capable of only slow growth and seem to be relatively unable to sense or rapidly acclimate to energy-rich conditions. Their genomic features also lead us to propose that one method used to avoid predation by viruses and/or bacterivores is by means of slow growth and the maintenance of low biomass.