Sporing af virale parasitter af gigantiske vira over tid

I ferskvandssøer, mikrober regulerer strømmen af ​​kulstof og bestemmer, om vandmasserne tjener som kulstofdræn eller kulstofkilder. Især alger og cyanobakterier kan fange og bruge kulstof, men deres evne til at gøre det kan blive påvirket af vira. Virus findes blandt alle bakterier, normalt med 10 gange overskud, og består af forskellige størrelser lige fra kæmpe vira, til meget mindre vira kendt som virofager (som lever i kæmpe vira og bruger deres maskineri til at replikere og sprede sig.) Virofager kan ændre den måde, en kæmpe virus interagerer med sin eukaryote værtscelle. For eksempel, hvis alger er co-inficeret af en virophag og kæmpe virus, virofagen begrænser den gigantiske viruss evne til at replikere effektivt. Dette reducerer den indvirkning, som en kæmpe virus har på afledning af næringsstoffer, tillader værtsalgerne at formere sig, hvilket kan føre til hyppigere algeopblomstring.

Ved at bruge metagenomdatasæt indsamlet over flere år i nordlige ferskvandssøer, et hold ledet af forskere ved Ohio State University og US Department of Energy Joint Genome Institute (DOE JGI), en DOE Office of Science brugerfacilitet, afdækkede 25 nye sekvenser af virofager. Rapporteret 11. oktober, 2017 i Naturkommunikation , identifikationen af ​​disse nye sekvenser fordobler effektivt antallet af virofager kendt siden deres opdagelse for et årti siden.

"Sædvanligvis er metagenomdatasæt enkeltstående, " sagde DOE JGI videnskabsmand og første forfatter Simon Roux. "Folk var begyndt at se virofager i metagenomer, men ingen havde en lang tidsserie indtil nu. Var det her engang? Altid? Det vidste vi aldrig rigtigt, men det er et vigtigt stykke information for at forstå deres betydning."

Arbejdet stammede fra et forslag til Community Science Program (CSP), der involverer nordlige ferskvandssøer af KT (Trina) McMahon fra University of Wisconsin-Madison. Prøver af mikrobielle samfund i Lake Mendota og Trout Bog Lake blev regelmæssigt indsamlet over flere år som en del af det NSF-finansierede North Temperate Lakes Long Term Ecological Research (NTL-LTER) projekt fra National Science Foundation. Sekventering og analyse af disse metagenomer fra de 3-årige og 5-årige tidsserier gør det muligt for forskere at identificere fællesskabets medlemmer, bestemme deres metaboliske veje, og følge ændringer i samfund over flere år.

Ud over at se på de mikrobielle samfund, McMahon og Rex Malmstrøm, leder af DOE JGI Micro-Scale Applications-gruppen, spurgte samarbejdspartner Matt Sullivan ved Ohio State University, om han ville være interesseret i at bruge de samme metagenomiske datasæt til at se på søernes virale økologi. Roux begyndte at udvinde datasættene, mens han stadig var postdoc i Sullivan-laboratoriet. "Jeg vidste, at der var masser af vira i sekvensdataene, men ikke at nogle vira selv var værter for andre vira, " sagde Malmstrom. "Med tidsseriedata kunne vi gøre mere end at samle genom og bygge fylogenetiske træer, dataene gjorde det muligt for os at undersøge genetisk variation inden for populationer og se efter samtidige forekomst og overflodsmønstre mellem virofager og deres gigantiske virusværter. Med så mange tidspunkter i datasættet, du kan finde stærke forbindelser."

Trina McMahon, hvis CSP-datasæt var grundlaget for dette arbejde, siger, at det at have de virale økologioplysninger hjælper med at danne et mere komplet billede af økosystemet. "Vi er begejstrede for at have endnu en brik i puslespillet. Vira spiller tydeligvis en vigtig rolle i udformningen af ​​fællesskabssammensætning og fungerer derfor, af hele søens økosystem. Mit eget laboratorium mangler ekspertise til at tackle vira alene, derfor er samarbejdet med Simon og Matt Sullivan så vigtigt. Vores langsigtede mål er at lære nok om de kræfter, der kontrollerer samfundets forsamling og dynamik, as well as the ecological traits of each lineage, in order to create more predictive models about how freshwater lakes will respond to climate and land-use change, at an ecosystem scale."

Aside from doubling the number of virophages in public databases, the time series allowed Roux and his colleagues to see the viruses' ecological profiles - if factors such as the seasons or abundance of particular microbes influenced their own presence. Through co-occurrence analysis, the researchers associated the virophages with sequences of known lineages of giant viruses, and proposed the existence of 3 new groups of candidate giant viruses infected by virophages. These co-occurrence analyses also allowed them to find putative associations between the giant virus sequences and specific eukaryotic hosts.

"These findings are correlation-based, " noted Roux, "but it's a good example of a metagenomics use case. Metagenomes helped us not only discover new viral diversity and determine what it should do in the ecosystem, but it helps us design hypothesis and follow-up experiments about virus-host interactions so we're not just throwing out a wide net blindly."