1. Genomic evidence for global ocean plankton biogeography shaped by large-scale current systems
- Author
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Richter, Daniel J., Watteaux, Romain, Vannier, Thomas, Leconte, Jade, Frémont, Paul, Reygondeau, Gabriel, Maillet, Nicolas, Henry, Nicolas, Benoit, Gaëtan, da Silva, Ophélie, Delmont, Tom O., Fernández-Guerra, Antonio, Suweis, Samir, Narci, Romain, Berney, Cedric, Eveillard, Damien, Gavory, Frederick, Guidi, Lionel, Labadie, Karine, Mahieu, Eric, Poulain, Julie, Romac, Sarah, Roux, Simon, Dimier, Céline, Kandels‐Lewis, Stefanie, Picheral, Marc, Searson, Sarah, Oceans, Tara, Pesant, Stéphane, Aury, Jean-Marc, Brum, Jennifer R., Lemaitre, Claire, Pelletier, Eric, Bork, Peer, Sunagawa, Shinichi, Lombard, Fabien, Karp-Boss, Lee, Bowler, Chris, Sullivan, Matthew B., Karsenti, Eric, Mariadassou, Mahendra, Probert, Ian, Peterlongo, Pierre, Wincker, Patrick, Vargas, Colomban de, Ribera d’Alcalà, Maurizio, Iudicone, Daniele, Jaillon, Olivier, Tara Oceans Coordinators, Centre National de la Recherche Scientifique (France), European Molecular Biology Laboratory, Centre National de Séquençage (France), National Fund for Scientific Research (Belgium), Stazione Zoologica Anton Dohrn, Università degli Studi di Milano, Université Paris Sciences & Lettres, Agence Nationale de la Recherche (France), National Science Foundation (US), Veolia Foundation, Région Bretagne, World Courier, Illumina, Cap L’Orient, Fondation EDF, Fondation pour la Recherche sur la Biodiversité, Fondation Prince Albert II de Monaco, Ministère de l'Europe et des Affaires étrangères (France), Adaptation et diversité en milieu marin (ADMM), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Station biologique de Roscoff (SBR), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Stazione Zoologica Anton Dohrn (SZN), Institut méditerranéen d'océanologie (MIO), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Toulon (UTLN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Génomique d'Evry (IG), Université Paris-Saclay-Institut de Biologie François JACOB (JACOB), Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Genoscope - Centre national de séquençage [Evry] (GENOSCOPE), Université Paris-Saclay-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), University of British Columbia (UBC), Hub Bioinformatique et Biostatistique - Bioinformatics and Biostatistics HUB, Institut Pasteur [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA), Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Max Planck Institute for Marine Microbiology, Max-Planck-Gesellschaft, Dipartimento di Fisica e Astronomia 'Galileo Galilei', Università degli Studi di Padova = University of Padua (Unipd), Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Scienze FIsiche della Materia (CNISM), Mathématiques et Informatique Appliquées du Génome à l'Environnement [Jouy-En-Josas] (MaIAGE), Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), Station biologique de Roscoff (SBR), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes (LS2N), Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-École Centrale de Nantes (ECN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), Combinatoire et Bioinformatique (LS2N - équipe COMBI), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Laboratoire d'océanographie de Villefranche (LOV), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de la Mer de Villefranche (IMEV), Institut de Biologie François JACOB (JACOB), Ohio State University [Columbus] (OSU), Institut de biologie de l'ENS Paris (IBENS), Département de Biologie - ENS Paris, École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Center for Marine Environmental Sciences [Bremen] (MARUM), Universität Bremen, Ecology and Evolutionary Biology [Tucson] (EEB), University of Arizona, Scalable, Optimized and Parallel Algorithms for Genomics (GenScale), Inria Rennes – Bretagne Atlantique, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-GESTION DES DONNÉES ET DE LA CONNAISSANCE (IRISA-D7), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Rennes 1 (UR1), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), European Molecular Biology Laboratory [Heidelberg] (EMBL), University of Maine, Institut Pasteur [Paris] (IP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Fédération de recherche de Roscoff (FR2424), Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), French National Research Agency (ANR)HYDROGEN/ANR-14CE23-0001, National Science Foundation (NSF)OCE-1536989, OCE-1829831, Commissariat a l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives, Graphene Flagship, European Project: 634486,H2020,H2020-BG-2014-2,INMARE(2015), European Project: 287589,EC:FP7:KBBE,FP7-OCEAN-2011,MICRO B3(2012), Adaptation et diversité en milieu marin (AD2M), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Universita degli Studi di Padova, Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-École Centrale de Nantes (ECN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Combinatoire et Bioinformatique (COMBI), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Département de Biologie - ENS Paris, École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Station biologique de Roscoff (SBR), Centre de Mathématiques et de Leurs Applications (CMLA), École normale supérieure - Cachan (ENS Cachan)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Toulon (UTLN)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Pasteur [Paris], Infectiologie Santé Publique (ISP-311), Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université de Tours, Institut Pprime (PPRIME), Université de Poitiers-ENSMA-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Laboratoire d'Informatique de Nantes Atlantique (LINA), Mines Nantes (Mines Nantes)-Université de Nantes (UN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de biologie de l'ENS Paris (UMR 8197/1024) (IBENS), École normale supérieure - Paris (ENS Paris)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Bretagne Sud (UBS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-CentraleSupélec-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-École Centrale de Nantes (ECN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), and Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Rennes 1 (UR1)
- Subjects
010504 meteorology & atmospheric sciences ,Biogeography ,Oceans and Seas ,Context (language use) ,01 natural sciences ,General Biochemistry, Genetics and Molecular Biology ,03 medical and health sciences ,plankton biogeography ,genomics ,Ecosystem ,genetics ,14. Life underwater ,microbial oceanography ,030304 developmental biology ,0105 earth and related environmental sciences ,Seascape ,[SDV.EE]Life Sciences [q-bio]/Ecology, environment ,0303 health sciences ,metagenomics ,General Immunology and Microbiology ,Geography ,General Neuroscience ,Ocean current ,fungi ,Community structure ,General Medicine ,15. Life on land ,Plankton ,Oceanography ,13. Climate action ,Metagenomics ,metabarcoding ,ecology ,[INFO.INFO-BI]Computer Science [cs]/Bioinformatics [q-bio.QM] - Abstract
Biogeographical studies have traditionally focused on readily visible organisms, but recent technological advances are enabling analyses of the large-scale distribution of microscopic organisms, whose biogeographical patterns have long been debated. Here we assessed the global structure of plankton geography and its relation to the biological, chemical, and physical context of the ocean (the ‘seascape’) by analyzing metagenomes of plankton communities sampled across oceans during the Tara Oceans expedition, in light of environmental data and ocean current transport. Using a consistent approach across organismal sizes that provides unprecedented resolution to measure changes in genomic composition between communities, we report a pan-ocean, size-dependent plankton biogeography overlying regional heterogeneity. We found robust evidence for a basin-scale impact of transport by ocean currents on plankton biogeography, and on a characteristic timescale of community dynamics going beyond simple seasonality or life history transitions of plankton., We thank the commitment of the following people and sponsors who made this expedition possible: CNRS (in particular Groupement de Recherche GDR3280), European Molecular Biology Laboratory (EMBL), Genoscope/CEA, Fund for Scientific Research – Flanders, VIB, Stazione Zoologica Anton Dohrn, UNIMIB, Paris Sciences et Lettres (PSL) Research University (ANR-11-IDEX-0001–02), the French Government ANR (projects FRANCE GENOMIQUE/ANR-10-INBS-09, MEMO LIFE/ANR-10-LABX-54, POSEIDON/ANR-09-BLAN-0348, PROMETHEUS/ANR-09-PCS-GENM-217, MAPPI/ANR-2010-COSI-004, TARA-GIRUS/ANR-09-PCS-GENM-218), US NSF grant DEB-1031049, FWO, BIO5, Biosphere 2, Agnès b., the Veolia Environment Foundation, Région Bretagne, World Courier, Illumina, Cap L’Orient, the EDF Foundation EDF Diversiterre, FRB, the Prince Albert II de Monaco Foundation, Etienne Bourgois, the Tara schooner and its captain and crew. We thank MERCATOR-CORIOLIS and ACRI-ST for providing daily satellite data during the expedition. The bulk of genomic computations were performed using the Airain HPC machine provided through GENCI- [TGCC/CINES/IDRIS] (grants t2011076389, t2012076389, t2013036389, t2014036389, t2015036389 and t2016036389). We are also grateful to the French Ministry of Foreign Affairs for supporting the expedition and to the countries who granted us sampling permissions.
- Published
- 2022