Heterotrophic bacterial diazotrophs (HBDs) are ubiquitous in the pelagic ocean, where they have been predicted to carry out the anaerobic process of nitrogen fixation within low-oxygen microenvironments associated with marine pelagic particles. However, the mechanisms enabling particle colonization by HBDs are unknown. We hypothesized that HBDs use chemotaxis to locate and colonize suitable microenvironments, and showed that a cultivated marine HBD is chemotactic toward amino acids and phytoplankton-derived DOM. Using an in situ chemotaxis assay, we also discovered that diverse HBDs at a coastal site are motile and chemotactic toward DOM from various phytoplankton taxa and, indeed, that the proportion of diazotrophs was up to seven times higher among the motile fraction of the bacterial community compared to the bulk seawater community. Finally, three of four HBD isolates and 16 of 17 HBD metagenome assembled genomes, recovered from major ocean basins and locations along the Australian coast, each encoded >85% of proteins affiliated with the bacterial chemotaxis pathway. These results document the widespread capacity for chemotaxis in diverse and globally relevant marine HBDs. We suggest that HBDs could use chemotaxis to seek out and colonize low-oxygen microenvironments suitable for nitrogen fixation, such as those formed on marine particles. Chemotaxis in HBDs could therefore affect marine nitrogen and carbon biogeochemistry by facilitating nitrogen fixation within otherwise oxic waters, while also altering particle degradation and the efficiency of the biological pump.

异养细菌固氮菌 (HBD) 在远洋海洋中无处不在，据预测它们会在与海洋远洋颗粒相关的低氧微环境中进行厌氧固氮过程。然而，HBD 使粒子定殖的机制尚不清楚。我们假设 HBD 使用趋化性来定位和定殖合适的微环境，并表明养殖的海洋 HBD 对氨基酸和浮游植物衍生的 DOM 具有趋化性。使用原位趋化性测定，我们还发现沿海地区的多种 HBD 对来自各种浮游植物类群的 DOM 具有运动性和趋化性，而且事实上，在细菌群落的运动部分中，固氮菌的比例高达七倍与散装海水社区相比。最后，四个 HBD 分离株中的三个和 17 个 HBD 宏基因组中的 16 个组装基因组，从主要海洋盆地和澳大利亚沿海地区回收，每个都编码 >85% 的与细菌趋化途径相关的蛋白质。这些结果记录了多种和全球相关的海洋 HBD 的广泛趋化能力。我们建议 HBD 可以使用趋化性来寻找和定植适合固氮的低氧微环境，例如在海洋颗粒上形成的微环境。因此，HBD 中的趋化性可以通过促进含氧水域中的固氮作用影响海洋氮和碳生物地球化学，同时还可以改变颗粒降解和生物泵的效率。从澳大利亚沿海的主要海洋盆地和地点回收，每个都编码 > 85% 的与细菌趋化途径相关的蛋白质。这些结果记录了多种和全球相关的海洋 HBD 的广泛趋化能力。我们建议 HBD 可以使用趋化性来寻找和定植适合固氮的低氧微环境，例如在海洋颗粒上形成的微环境。因此，HBD 中的趋化性可以通过促进含氧水域中的固氮作用影响海洋氮和碳生物地球化学，同时还可以改变颗粒降解和生物泵的效率。从澳大利亚沿海的主要海洋盆地和地点回收，每个都编码 > 85% 的与细菌趋化途径相关的蛋白质。这些结果记录了多种和全球相关的海洋 HBD 的广泛趋化能力。我们建议 HBD 可以使用趋化性来寻找和定植适合固氮的低氧微环境，例如在海洋颗粒上形成的微环境。因此，HBD 中的趋化性可以通过促进含氧水域中的固氮作用影响海洋氮和碳生物地球化学，同时还可以改变颗粒降解和生物泵的效率。这些结果记录了多种和全球相关的海洋 HBD 的广泛趋化能力。我们建议 HBD 可以使用趋化性来寻找和定植适合固氮的低氧微环境，例如在海洋颗粒上形成的微环境。因此，HBD 中的趋化性可以通过促进含氧水域中的固氮作用影响海洋氮和碳生物地球化学，同时还可以改变颗粒降解和生物泵的效率。这些结果记录了多种和全球相关的海洋 HBD 的广泛趋化能力。我们建议 HBD 可以使用趋化性来寻找和定植适合固氮的低氧微环境，例如在海洋颗粒上形成的微环境。因此，HBD 中的趋化性可以通过促进含氧水域中的固氮作用影响海洋氮和碳生物地球化学，同时还可以改变颗粒降解和生物泵的效率。